Оборудование заводов пластмасс. В 2 частях. Часть 2 [2 ed.] 9785534090062

Citation preview

В. С. Ким, М. А. Шерышев

ЧАСТЬ 2

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ 2-е издание, исправленное и дополненное

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Технология переработки пластических масс и эластомеров» и «Машины и аппараты химических производств»

Книга доступна на образовательной платформе «Юрайт» urait.ru,

а также в мобильном приложении «Юрайт.Библиотека»

∙

∙

Москва Юрайт 2023

УДК 678(075.8) ББК 35.71Я73 К40

Авторы: Ким Валентин Сен-Хакович — доктор технических наук, профессор; Шерышев Михаил Анатольевич — профессор, доктор технических наук, профессор кафедры технологии переработки пластмасс факультета нефтегазохимии и полимерных материалов Российского химико­ технологического университета имени Д. И. Менделеева.

Рецензенты: Бухаров С. В. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии переработки неметаллических материалов Российского государственного технологического университета (МАТИ) имени К. Э. Циолковского; Богданов В. В. —доктор технических наук, профессор.

Ким, В. С. К40

Оборудование заводов пластмасс. В 2 частях. Ч. 2 : учебное пособие для вузов / В. С. Ким, М. А. Шерышев.— 2-е изд., испр. и доп.— Москва: Издательство Юрайт, 2023.— 301с.— (Высшее образование).— Текст: непосредственный.

ISBN 978-5-534-09006-2 (ч. 2) ISBN 978-5-534-09007-9 В учебном пособии рассматриваются различные типы оборудования по переработке пластмасс и эластомеров, конструкции этого оборудования, его расчеты и рекомендации по выбору необходимых машин для проведения конкретных операций. Пособие содержит большое количество конструкционных чертежей. Каждая глава завершается контрольными вопросами и заданиями. В первой части пособия рассмотрены вспомогательное оборудование (смесители, дробилки, таблеточные машины) и экструзионные машины (одношнековые, двухшнековые и дисковые экструдеры), во второй части — литьевые машины, прессы, оборудование для термоформования листовых полимерных материалов и оборудование, применяемое для нетрадиционных методов формования. Соответствует актуальным требованиям федерального государственного образовательного стандарта высшего образования. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженернотехническим направлениям, аспирантов, преподавателей, а также для инженерно-технических работников НИИ и заводов по переработке пластмасс. УДК 678(075.8) ББК35.71Я73

ISBN 978-5-534-09006-2 (ч. 2) ISBN 978-5-534-09007-9

© Ким В. C., Шерышев М. А., 2008 © Ким В. C., Шерышев М. А., 2017, с изменениями © ООО «Издательство Юрайт», 2023

Оглавление Глава 3. Машины для литья под давлением гггггггггггггггггггггггггг5 Устройство и работа питьевой машины ММММММММММММММММ5 Классификация литьевых машин МММММММММММММММММММ11 Узлы пластикации и впрыска МММММММММММММММММММММ14 3.3.1. Материальные цилиндры ММММММММММММММММММММ15 3.3.2. Шнеки ММММММММММММММММММММММММММММММ18 3.3.3. Сопла материальных цилиндров ММММММММММММММММ27 3.3.4. Загрузочные бункера ММММММММММММММММММММММ28 3.3.5. Привод шнека ММММММММММММММММММММММММММ31 3.4. Узлы смыкания форм МММММММММММММММММММММММММ 33 3.4.1. Схемы узлов смыкания МММММММММММММММММММММ 37 3.4.2. Плиты ММММММММММММММММММММММММММММММ 46 3.4.3. Колонны МММММММММММММММММММММММММММММ 49 3.4.4. Узлы смыкания бесколонного типа ММММММММММММММ 52 3.5. Реактопластавтоматы МММММММММММММММММММММММММ53 3.6. Машины для микролитья МММММММММММММММММММММММ 56 3.7. Специализированные литьевые машины МММММММММММММММ59 3.8. Многопозиционные литьевые машины МММММММММММММММ68 3.9. Выбор литьевых машин ММММММММММММММММММММММММ 73 Контрольные вопросы и задания ‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘‘ 77 3.1. 3.2. 3.3.

Глава 4. Прессовое оборудование гггггггггггггггггггггггггггггггггггг78 4.1. 4.2. 4.3.

Методы прессования ММММММММММММММММММММММММММ78 Классификация прессов ММММММММММММММММММММММММ 83 Гидравлические прессы для переработки реактопластов ММММММ88 4.3.1. Прессы-полуавтоматы ММММММММММММММММММММММ88 4.3.2. Однооперационные прессы-автоматы МММММММММММММ 92 4.3.3. Двухоперационные прессы-автоматы с червячной пластикацией ММММММММММММММММММММММММММММММ 95 4.3.4. Угловые прессы МММММММММММММММММММММММММ 95 4.3.5. Автоматические прессовые линии с выносными пресс-формами МММММММММММММММММММММММММММММ97 4.3.6. Этажные прессы МММММММММММММММММММММММММ99 4.3.7. Короткотактные прессы ММММММММММММММММММММ 105 4.3.8. Ленточные прессы МММММММММММММММММММММММ 110 4.3.9. Прессы профильного прессования ММММММММММММММ114 4.3.10. Револьверные прессы-автоматы МММММММММММММММ117 3

4.3.11. Роторные прессы-автоматы....................................................... 120 Механические прессы-автоматы.......................................................... 129 Прессы для разделительной штамповки.............................................. 130 Основные элементы прессового оборудования.................................. 133 4.6.1. Цилиндры гидравлических прессов............................................ 133 4.6.2. Гидравлические аккумуляторы................................................... 145 Контрольные вопросы и задания................................................................. 148 4.4. 4.5. 4.6.

Глава 5. Оборудование для термоформования листовых термопластичных материалов........................................................... 149 Сущность методов термоформования и их классификация.............. 149 Оборудование для термоформования.................................................. 171 5.2.1. Классификация оборудования..................................................... 171 5.2.2. Однопозиционные машины........................................................ 175 5.2.3. Многопозиционные машины с однородными позициями...... 179 5.2.4. Многопозиционные машины с позициями различного назначения................................................................................................... 181 5.2.5. Специализированные машины................................................... 196 5.2.6. Установки для индивидуального и мелкосерийного производства............................................................................................... 201 5.3. Основные элементы оборудования для производства изделий методом термоформования................................................................ 212 5.3.1. Нагревательные устройства........................................................ 212 5.3.2. Зажимные устройства.................................................................. 227 5.3.3. Пневмо- и вакуум-системы.......................................................... 231 5.3.4. Привод............................................................................................ 237 Контрольные вопросы и задания................................................................. 250

5.1. 5.2.

Глава 6. Оборудование для нетрадиционных методов формования полимерных материалов............................................. 252 Оборудование и технология формования изделий из стекловолокнистых материалов................................................... 252 6.1.1. Классификация методов формования изделий......................... 252 6.1.2. Намотка труб.................................................................................. 257 6.1.3. Намотка оболочек сложной формы............................................ 265 6.2. Формование на подложке...................................................................... 274 6.2.1. Пропитка основы полимерными растворами и расплавами...274 6.2.2. Формование пленок из растворов полимеров отливкой на подложке................................................................................................ 279 6.2.3. Получение пленочных материалов методом промазки основы ...288 6.3. Литье без давления..................................................................................292 Контрольные вопросы и задания................................................................. 298 6.1.

Рекомендуемая литература................................................................ 299 Новые издания по дисциплине.......................................................... 301

Глава 3 МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 3.1. Устройство и работа литьевой машины В течение полувека метод литья под давлением для получения изде­ лий из термопластов и реактопластов является одним из самых рас­ пространенных в промышленности. Суть метода состоит в следующем: полимер, поступающий в гранулированном (реже в порошкообразном) виде в специальный инжекционный цилиндр, нагревается до вязкоте­ кучего состояния, пластицируется, гомогенизируется, а затем под высо­ ким давлением и с большой скоростью впрыскивается в сомкнутую литьевую форму; в форме полимер охлаждается (при литье термопла­ стов) или отверждается (при литье реактопластов), переходит в твер­ дое состояние, после чего готовое изделие извлекается из формы. В настоящее время в промышленности реализуются различные тех­ нологические схемы процесса литья под давлением, что обусловливает большое разнообразие конструкций литьевого оборудования. Остановимся на классической схеме работы литьевого оборудова­ ния. Перерабатываемый материал вручную или специальными транс­ портными устройствами подается в бункер 1 (рис. 3.1), установленный над загрузочным отверстием инжекционного (материального) цилин­ дра 2. Предпочтение отдается гранулированным материалам, так как по сравнению с порошкообразными они лучше транспортируются, не прилипают к стенкам бункера, не склонны к сводообразованию, менее гигроскопичны и легче дозируются.

Рис. 3.7. Схема литьевой машины с пластикатором шнекового типа 5

В ряде случаев в бункере устанавливаются ворошитель, улучшаю­ щий подачу материала в материальный цилиндр, устройство для под­ сушки материала, датчики заполнения и другие устройства. Из бункера материал через загрузочное отверстие поступает в мате­ риальный цилиндр. Современные машины в подавляющем большинстве случаев оборудованы шнековыми пластикаторами: в материальном цилиндре 2 находится шнек 3, имеющий приводы как для вращатель­ ного 7, так и для возвратно-поступательного 8 движения. В момент загрузки материала шнек вращается и обеспечивает продвижение полимера к соплу 4, находящемуся в конце материального цилиндра. Во время транспортировки от загрузочного отверстия к соплу материал нагревается за счет тепла, подводимого от нагревателей, установлен­ ных на внешней поверхности материального цилиндра, плавится, гомо­ генизируется и пластицируется. Нагреватели (чаще всего это нагрева­ тели сопротивления, реже — индукционные) распределяются вдоль материального цилиндра по зонам обогрева, причем каждая из зон имеет свои датчики и свою систему независимого регулирования тем­ пературы. Во избежание налипания материала на стенках загрузочного отверстия и вблизи его, в области соединения материального цилиндра с бункером предусматривается зона водяного охлаждения. Сопло 4 материального цилиндра при переработке высоковязких материалов, обладающее значительным гидравлическим сопротивле­ нием (сопло открытого типа), препятствует выходу расплава поли­ мера, подаваемого шнеком, наружу. В области перед соплом начинается скапливаться доза полимера, а так как шнек продолжает вращаться, то в этой области создается давление (давление пластикации), кото­ рое, воздействуя на шнек, стремится отодвинуть его и таким образом увеличить свободный объем для набираемой дозы. Устройство машины позволяет шнеку перемещаться вдоль своей оси. Так продолжается до тех пор, пока не будет набран необходимый объем дозы. В случае переработки полимеров с низкой вязкостью расплава на время набора дозы сопло запирается специальным клапаном (сопло закрытого типа). После того как в шнековом пластикаторе набралась необходимая доза полимера, сопло материального цилиндра подводится с помо­ щью привода 9 к предварительно сомкнутой форме 5. Создается осе­ вое усилие на шнек, направленное в сторону сопла. В накопленном объеме полимера соответственно создается высокое давление (давле­ ние впрыска) и полимер, преодолевая гидравлическое сопротивление сопла открытого типа или через открывшийся клапан сопла закрытого типа, устремляется через литниковую систему 6 формы в ее оформляю­ щую полость. После заполнения формы полимер в течение некоторого времени выдерживается под давлением, а затем происходит либо его охлаждение (при переработке термопластов), либо отверждение (при переработке реактопластов), после чего форма размыкается и из нее извлекается готовое изделие. б

Пока идет процесс охлаждения (отверждения) изделия, его извлече­ ние из формы и смыкание формы для производства следующего изде­ лия, в материальном цилиндре идет подготовка очередной дозы поли­ мера. В весьма ограниченном числе случаев используются литьевые машины с поршневой пластикацией. На этих машинах (рис. 3.2) мате­ риал из бункера 1 поступает в дозирующее устройство 2, которое отмеряет заданную дозу по объему (реже по массе). Из дозирующего устройства полимер через загрузочное окно 6 попадает в материаль­ ный цилиндр 4, внутри которого расположен поршень 3. Внутри цилин­ дра помещается 5—8 доз материала. Полимер нагревается, доводится до вязкотекучего состояния и с помощью поршня периодически впры­ скивается в литьевую форму. Чтобы увеличить поверхность соприкос­ новения пластической массы с нагретым металлом, в материальном цилиндре устанавливают стержень-рассекатель 5, называемый торпе­ дой. Средняя часть торпеды имеет или сквозные отверстия, или наруж­ ные открытые пазы, в которых материал разделяется на потоки. Для уменьшения потерь давления на трение передняя часть торпеды выпол­ няется обтекаемой формы.

Рис. 3.2. Схема литьевой машины с пластикатором поршневого типа Выше был описан традиционный технологический процесс получе­ ния изделий методом литья под давлением. В то же время надо иметь в виду, что процесс литья непрерывно развивается, трансформиру­ ясь для производства новых, более сложных изделий, использования современных полимерных материалов и реализации возможностей, предоставляемых современными средствами автоматизации и робото­ техники. В настоящем учебном пособии мы не будем подробно оста­ навливаться на каждой из технологий, появившихся за последние годы. Ниже приведем классификацию современных специальных техноло­ гий, предложенную Л.-Ш. Тунгом, основанную на используемых техно­ логических приемах: — введение дополнительного материала(ов) или компонента(ов) в литое изделие; — изменение состава компонентов расплава; 7

— физическое воздействие на расплав; — перемещение расплава; — технологические приемы, применяемые при изготовлении микро­ деталей и тонкостенных изделий. Введение дополнительного материала (ов) или компонента (ов) в литое изделие предусматривает целый ряд технологических приемов. Например, добавление или впрыск другого полимерного материала. При этом различаются двухкомпонентное, или «сэндвичное», литье; много­ компонентное литье и микрослоистое литье под давлением. Может производиться заливка металлических вставок или наполнение их рас­ плавом. В этом случае может использоваться либо литье под давлением со вставкой и на металлическое основание, либо литье с использова­ нием легкоплавкого пуансона. Используется впрыск сжиженного газа в расплав полимера (так называемое «литье с газом») или впрыск газа в смесь полимера с порошковым металлом либо керамикой. Применя­ ется впрыск жидкости, например сжиженного газа или воды (так назы­ ваемое «литье с водой») в расплав полимера. Для декорирования внеш­ ней поверхности изделий используются вставки из пленки, фольги, ткани или текстолита (литье с декорированием в форме и литье при низком давлении). Достаточно часто отливаются изделия с металличе­ ской арматурой. Изменение состава компонентов расплава также достигается раз­ личными технологическими приемами. Так, используются смешение полимера с жидкостями в сверхкритическом состоянии (литье по тех­ нологии MuCell), смешение расплава полимера с пенообразующими аген­ тами (литье со вспениванием), смешение форполимеров (мономеров или реагентов) перед впрыском. В последнем случае можно реализовать литье по технологии RIM, структурированное реоформование, литье реактопластов. Физическое воздействие на расплав достигается либо за счет прило­ жения вибрационных усилий к расплаву в процессе переработки (техно­ логии LFIM и Push-Pull Injection Molding, технология реоформования), либо изменением скорости вращения шнека и противодавления для управления температурой расплава (литье при низком давлении). Перемещение расплава используется при литьевом прессовании. Исторически принцип литья пластмасс под давлением был поза­ имствован из металлургии, где использовались машины с поршневым впрыском для литья изделий из цветных металлов. Поэтому первые машины литья термопластов были с поршневой пластикацией без тор­ пед и по своему устройству очень походили на машины для литья цвет­ ных металлов. Однако металлы являются в отличие от пластмасс хорошими про­ водниками тепла, и потому дозы цветных металлов, подготавливае­ мые для впрыска, равномерно прогревались во всем объеме даже при больших диаметрах материальных цилиндров. Полимеры же, обладая низкой теплопроводностью, медленно и неравномерно прогревались 8

в материальных цилиндрах. Поэтому первым принципиальным нов­ шеством, введенным в конструкцию машин для литья под давлением изделий из пластмасс, стала установка в материальном цилиндре тор­ педы (см. рис. 3.2), которая позволила прогревать полимер в более тон­ ком слое, а значит, быстрее и равномернее. Следующим шагом на пути модернизации литьевого оборудования для пластмасс стала установка на машинах так называемых предпластикаторов. Материал подавался из бункера в предпластикатор, в нем нагревался до вязкотекучего состояния, а уже затем поступал в матери­ альный цилиндр поршневого типа, из которого впрыскивался в форму. Предпластикаторы сначала были поршневого типа (рис. 3.3). Цилиндр 1 предпластикатора имел маленькое поперечное сечение при относи­ тельно большой длине, что способствовало более равномерному про­ греву материала, подаваемого в материальный цилиндр 3. Дря облегче­ ния пластикации в цилиндре 1 часто устанавливалась торпеда 2.

Рис. 3.3. Схема материального цилиндра с предпластикатором поршневого типа

Поршневые предпластикаторы были весьма быстро вытеснены шне­ ковыми (рис. 3.4). Последние по своему устройству находились ближе всего к одношнековым или двухшнековым экструдерам и устанавли­ вались под углом к материальному цилиндру 2 или параллельно ему. В шнековом пластикаторе 1 прогрев материала происходил достаточно равномерно и быстро. Кроме того, проходила еще и гомогенизация расплава полимера, которая при использовании поршневых предпластикаторов является явно недостаточной. Некоторые конструктивные осложнения вызывались лишь необходимостью совмещать непрерыв­ ный процесс шнековой пластикации с периодическим процессом впры­ ска материала в форму. Именно шнековые предпластикаторы явились прообразом совре­ менных литьевых машин со шнековой пластикацией. В конструкцию любой литьевой машины входят следующие основ­ ные узлы: — узел смыкания формующего инструмента; — узел пластикации и впрыска; — станина машины с системой привода и системой управления. 9

1

‘2 Рис. 3.4. Схема материального цилиндра с предпластикатором шнекового типа

Узел смыкания отвечает за быстрое и надежное размыкание и смы­ кание литьевой формы. Он должен обеспечивать создание усилия, необходимого для удержания формы в закрытом состоянии. Конструк­ ция этого узла должна способствовать облегчению извлечения изделия из литьевой формы. Усилие, необходимое для удержания литьевой формы в закрытом состоянии, может быть создано механическим способом с помощью коленчато-рычажного, винтового или какого-либо другого механизма. Используются в конструкциях узлов смыкания и гидравлические меха­ низмы. Получили распространение и комбинированные — гидромеха­ нические системы. В задачи узла пластикации входит загрузка полимерного материала в материальный цилиндр через загрузочный бункер, его транспорти­ ровка за счет вращения шнека от загрузочного отверстия материаль­ ного цилиндра к соплу. При этом должны происходить нагрев и переход полимера в вязкотекучее состояние, пластикация и гомогенизация рас­ плава полимера, а также набор определенного количества пластицированного полимерного материала на участке цилиндра между наконеч­ ником шнека и соплом. После набора дозы за счет осевого перемещения шнека в направлении мундштука расплав полимера впрыскивается в формующую полость литьевой формы. Во время впрыска шнек дей­ ствует аналогично поршню. Станина служит для размещения на ней отдельных элементов кон­ струкции литьевой машины и их надежного крепления. Управление процессом осуществляется с помощью таймеров, элек­ тронных датчиков времени или микропроцессора. Размещение дополнительных регулирующих устройств помогает контролировать заполнение формы и ее подпитку (например, в зави­ симости от давления массы в литьевой форме). Температура матери­ ального цилиндра, как правило, контролируется электронными датчи­ ками. 10

3.2. Классификация литьевых машин Как уже говорилось, литьевые машины относятся к самым распро­ страненным видам оборудования для переработки пластмасс. Для про­ изводства огромной номенклатуры литьевых изделий машиностро­ ительными фирмами выпускается большая гамма машин различной конструкции и назначения. В целях упорядочения этого разнообразия было предложено много классификационных признаков. По виду перерабатываемого полимера машины делятся на термопластавтоматы (для переработки термопластичных материалов) и реактопластавтоматы (для переработки термореактивных матери­ алов). Здесь следует добавить, что кроме этого выпускаются машины для литья изделий из резиновых смесей, однако их описание не входит в задачи настоящего учебного пособия. По назначению литьевые машины разделяют на универсальные, специальные, лабораторные и машины для микролитья. Универсальные машины предназначаются для производства самого широкого ассортимента изделий, их конструкция предусматривает удоб­ ство и быстроту замены литьевых форм, а система управления позволяет менять в широких пределах технологические параметры литья. Специальные машины создаются для производства узкой номен­ клатуры близких по конструкции изделий и, как правило, включают в себя дополнительные узлы, несвойственные машинам универсаль­ ным. Достаточно часто эти машины предназначаются для производства только одного вида изделия. В ряде случаев специальные машины явля­ ются составной частью сложных технологических линий. Машины для микролитья предназначаются, как и следует из их назва­ ния, для производства деталей особо малых габаритов. В качестве примера можно привести литье миниатюрных рычагов и шестеренок из полиформальдегида массой до 0,015 г, которые используются в доза­ торах медикаментов. Лабораторные машины обычно невелики по своим размерам, слу­ жат, как правило, для отработки технологии литья изделий из новых марок полимерных материалов, их система управления позволяет менять в широких пределах технологические параметры литья. Они приспособлены для быстрой замены формующего инструмента и осна­ щены дополнительными (по сравнению с производственными маши­ нами) датчиками, позволяющими отслеживать все этапы технологиче­ ского процесса литья. По объему впрыска машины подразделяются в зависимости от мак­ симального объема материала, впрыскиваемого за один цикл. Доста­ точно долгое время этот классификационный признак считался основ­ ным, однако в последнее время он по ряду причин отошел на второй план. Несмотря на это, именно объем впрыска наряду с усилием смы­ кания форм определяет в конечном итоге габариты машины и возмож­ ности производства на ней тех или иных изделий. 11

В основу создания ряда машин для производства изделий различ­ ных габаритов большинство фирм в настоящее время закладывает номинальное усилие смыкания форм, которое также считается одним из классификационных признаков. По количеству цветов одного полимера или количеству различ­ ных полимеров, представленных в конструкции отливаемых изде­ лий, литьевые машины подразделяются на машины для литья одно­ компонентных, двухкомпонентных и многокомпонентных изделий. В настоящее время известны машины для литья изделий из восьми компонентов. По взаимному расположению узлов, выполняющих одинаковые функции в процессе работы машины, литьевые машины подразделяют на горизонтальные (рис. 3.5, а), угловые машины с горизонтальной компоновкой (рис. 3.5, б), угловые машины с вертикальной компо­ новкой (рис. 3.5, в) и вертикальные (рис. 3.5, г). Компоновка машин определяется многими факторами: требованиями технологии, кон­ струкцией отливаемых изделий, степенью автоматизации и роботиза­ ции процесса, соображениями экономии производственных площадей ит. д.

Рис. 3.5. Схемы литьевых машин: а — горизонтальная; б — угловая с горизонтальной компоновкой; в — угловая с вертикальной компоновкой; г — вертикальная; 1 — узел пластикации и впрыска; 2 — узел смыкания формы

Приведенные на рис. 3.5 компоновки характерны для машин, пред­ назначенных для однокомпонентного литья. Машины для многокомпо­ нентного литья представляют собой весьма сложные сочетания приве­ денных выше примеров. Наиболее распространены на производстве машины горизонталь­ ного типа, однако наряду с ними достаточно широко в промышленно­ 12

сти используются как вертикальные литьевые машины, так и угловые машины с горизонтальной или вертикальной компоновкой узлов под прямым углом. К преимуществам вертикальных литьевых машин относятся следу­ ющие: — они занимают небольшую производственную площадь; легко встраиваются в технологическую цепочку с другим оборудованием; — удобны при литье в съемные или перемещаемые формы, горизон­ тальная плоскость разъема которых значительно облегчает установку съемных оформляющих деталей (резьбовых знаков и колец, различных вставок, арматуры и других элементов). В зависимости от возможностей установленного на них форму­ ющего инструмента и используемой робототехники вертикальные литьевые машины могут работать в ручном или полуавтоматическом режиме. В автоматическом режиме они работают сравнительно редко, так как требуются достаточно сложные робототехнические устройства для удаления из них готовых изделий. Основным недостатком вертикальных литьевых машин является их ограничение по мощности, с увеличением которой увеличивается и высота машин, что затрудняет их обслуживание и требует увеличе­ ния высоты производственных помещений. Угловая компоновка машин используется некоторыми фирмамипроизводителями как при создании машин для литья крупногабарит­ ных или сложноармированных изделий, так и при создании на базе угловых машин установок для многоцветного или многокомпонент­ ного литья. По способу пластикации материала литьевые машины можно разделить на два основных вида: с поршневой пластикацией и с шне­ ковой пластикацией. Однако в последнее время для переработки ряда материалов появились машины с комбинированным шнеково-поршне­ вым узлом пластикации. По типу приводов узла пластикации и впрыска и узла смыкания форм (эта классификация весьма распространена) литьевые машины делятся на машины с гидравлическим, гидромеханическим, механиче­ ским, электрическим и пневматическим приводом. Существуют машины с гидравлическим приводом, в которых для передвижения подвижных частей и создания необходимых усилий используются только различные гидроцилиндры. Исключением в дан­ ном случае является лишь привод, обеспечивающий вращение шнека в узле пластикации и впрыска. Вращение шнека создается либо высоко­ моментным гидродвигателем, либо электродвигателем напрямую или через редукторы различной конструкции. В машинах с гидромеханическим приводом гидропривод сочетается с различными по конструкции коленно-рычажными механизмами. Часто встречается сочетание гидромеханического привода узла смы­ кания форм с гидравлическим приводом узла пластикации и впрыска. 13

В машинах с механическим приводом для передвижения подвижных частей и создания необходимых усилий используются приводы, вклю­ чающие в себя электродвигатели, систему зубчатых передач и коленнорычажные, винтовые или реечные механизмы. В настоящее время появились и нашли достаточно широкое при­ менение так называемые полностью электрифицированные литье­ вые машины. На этих машинах устанавливаются электродвигатели, развивающие при низкой регулируемой частоте вращения большой крутящий момент. Это позволяет увеличить коэффициент полезного действия привода, понизить уровень шума и упростить обслужива­ ние. Однако пока эти двигатели применяются только на машинах для производства изделий малых и средних габаритов, так как мощность подобных двигателей на сегодняшний день ограничена. Пневматический привод на литьевых машинах не получил скольконибудь значительного распространения, хотя целый ряд фирм выпу­ скал раньше подобные машины для литья изделий малого объема и для лабораторных целей. Различные варианты приводов часто варьируются в разных узлах одних и тех же машин. Эти машины принято относить к машинам с комбинированным приводом. Параметры литьевых машин определяются особенностями процес­ сов литья различных полимерных материалов, а также ассортиментом выпускаемых отливок. Основными параметрами технической характе­ ристики литьевой машины являются: — усилие запирания (смыкания) формы; — объем впрыска за один цикл; — давление литья; — скорость впрыска; — пластикационная производительность; — расстояние между колоннами или элементами рамы узла смыка­ ния форм; — максимальное и минимальное расстояния между плитами; — ход подвижной плиты; — наибольшая площадь проекции отливаемой детали на плоскость разъема плит механизма смыкания форм. Эти параметры наиболее важны, поскольку они определяют возмож­ ность переработки того или иного материала, а также массу и размеры детали, которая может быть изготовлена на данной машине.

3.3. Узлы пластикации и впрыска Основное внимание в этом разделе будет сосредоточено на конструк­ циях узлов пластикации и впрыска шнекового типа, так как в настоя­ щее время они наиболее распространены и обладают следующими пре­ имуществами перед узлами поршневого типа: 14

— более высокая пластикационная производительность; — равномерный прогрев полимера, так как он находится в непре­ рывном движении и постоянно перемешивается; — прогрев и пластикация полимера происходят не только за счет поступления тепла от нагревателей, расположенных на материальном цилиндре, но и из-за выделения тепла при вращающемся шнеке за счет внутреннего трения расплава в результате работы, совершаемой при перемешивании; — пластицированный расплавленный полимер впрыскивается в форму при относительно низком давлении; — полимер хорошо окрашивается при введении концентрата краси­ теля в бункер литьевой машины, так как в процессе пластикации обе­ спечивается высокая однородность расплава; — смена перерабатываемого полимера может быть осуществлена быстрее, чем при использовании узла пластикации поршневого типа; — за время вращения шнека режим нагрева, давления и сдвига гра­ нул, а затем и расплава полимера постоянен, а вязкость расплава сни­ жается благодаря тому, что макромолекулы полимера ориентируются вдоль направления сдвига. 3.3.1. Материальные цилиндры

Материальный цилиндр узла пластикации представляет собой пря­ мой цилиндр, который достаточно плотно охватывает шнек. Материальные цилиндры либо изготавливаются однослойными тол­ стостенными, либо в них вставляются гильзы (двухслойные цилиндры). Обе конструкции имеют свои преимущества. Однослойные цилиндры целиком выполняются из дорогих высоколегированных азотированных сталей, однако технология изготовления такого цилиндра значительно проще, чем двухслойного. Для изготовления внешнего слоя цилиндра со вставной гильзой могут быть использованы более дешевые стали, чем для самих гильз, которые, как и однослойный цилиндр, выполня­ ются из высоколегированных азотированных сталей. Таким образом, стоимость металла при изготовлении двухслойных цилиндров меньше. Однако дополнительная механическая обработка гильзы и ее посадка без зазора в цилиндр поднимают стоимость составных цилиндров. На ряде предприятий для изготовления двухслойных цилиндров при­ меняется также центробежное литье из двух материалов, но и этот тех­ нологический процесс удорожает изготовление цилиндра. В итоге основным преимуществом двухслойного цилиндра является его большая прочность при работе под внутренним давлением, которое в момент впрыска на современных литьевых машинах может дости­ гать 250 МПа и более. Однако на большинстве современных маши­ ностроительных предприятий предпочитают производить машины с однослойными материальными цилиндрами. Твердость внутренней поверхности материального цилиндра должна быть меньше поверхностной твердости шнека. Оптимальная величина 15

радиального зазора между шнеком и цилиндром составляет для шнеков эазного диаметра: Диаметр шнека, мм

Зазор, мм

32

0,07

45

0,08

63

0,09

90

0,10

125

0,20

160

0,30

Увеличение радиальных зазоров по сравнению с приведенными вызывают появление обратных потоков расплава полимера и соот­ ветственно снижение пластикационной производительности литьевой машины. По длине материальный цилиндр можно разделить на две зоны: зону загрузки с отверстием для питания и рабочую зону цилиндра. В зоне загрузки перерабатываемый материал подается на шнек. Чтобы избе­ жать преждевременного подплавления полимера и связанных с этим постепенного уменьшения поперечного сечения загрузочного отвер­ стия и прилипания разогретого материала к первым виткам шнека, зона загрузки должна интенсивно охлаждаться. Для поддержания необходимой температуры в рабочей зоне мате­ риальных цилиндров машин, предназначенных для переработки тер­ мопластов, на цилиндрах устанавливаются ленточные кольцевые элек­ тронагреватели. Обычно обогрев разделен на несколько зон, причем температура каждой из этих зон может независимо регулироваться. Количество зон обогрева зависит от отношения длины шнека к его диаметру и технологических особенностей переработки тех полимеров, для которых предназначается данная машина. В качестве электрона­ гревателей могут использоваться как омические, так и индукционные, однако омические нагреватели (рис. 3.6) имеют большее распростра­ нение. При переработке реактопластов используются также материальные цилиндры с жидкостным (чаще всего масляным) обогревом. Такие цилиндры имеют наружную рубашку для циркуляции теплоносителя. Применение электронных регуляторов, устанавливаемых в каж­ дой зоне обогрева, позволяет удерживать температуру материальных цилиндров в пределах устанавливаемого диапазона. Передняя часть материального цилиндра для крепления сопла снаб­ жается резьбой или фланцем. В качестве элементов резьбового соедине­ ния применяются метрические или трапецеидальные резьбы с мелким шагом. Применение резьб с мелким шагом обусловлено необходимо­ стью получения герметичного стыка и исключает самоотвинчивание в процессе работы. 16

10

9

8

7 6 5

Рис. 3.6. Схема ленточного кольцевого омического нагревателя: 1 — внутренняя металлическая обшивка; 2, 4, 6 — слои изоляции; 3,5 — нихромовая проволока; 7 — промежуточная металлическая обшивка; 8 — внешняя металлическая обшивка; 9 — стягивающие винты; 10 — штепсельный разъем Материальный цилиндр крепится к корпусу механизма пластикации и впрыска при помощи фланца или закладных колец (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схемы крепления материального цилиндра к корпусу механизма пластикации и впрыска: а — с помощью фланца; б — с помощью закладных колец

В период эксплуатации литьевой машины периодически возникает необходимость в демонтаже и монтаже шнека. Стандартная компо­ новка литьевых машин делает эти операции достаточно сложными, так как расстояние между концом материального цилиндра и неподвиж­ ной плитой узла смыкания форм не позволяет вытащить шнек вперед, как это предусматривает конструкция большинства узлов пластикации и впрыска. Для облегчения данной операции обычно обеспечивается возможность поворота материального цилиндра на 45—90° относи­ тельно вертикальной оси. В качестве примера рассмотрим следующую конструкцию (рис. 3.8). Материальный цилиндр 1 установлен в пово­ ротной цапфе 3 с помощью разрезного закладного кольца 7 и гайки 2. Так как от шнека через полимер крутящий момент может передаваться на материальный цилиндр, то для его фиксации предусматривается продольная проточка, в которую входит головка винта 8, выполняющая 17

в данном случае роль шпонки. Вдоль оси поворотной цапфы имеется отверстие А, соединяющее бункер с загрузочным отверстием матери­ ального цилиндра.

Рис. 3.8. Схема узла поворота материального цилиндра Для поворота цилиндра со шнеком демонтируется муфта 5, предна­ значенная для передачи крутящего момента от привода к шнеку. Затем проворачиваются сухари 4, которые при работе машины обеспечи­ вают неподвижность поворотной цапфы относительно станины 6 узла пластикации и впрыска. Затем осуществляется поворот цилиндра для демонтажа шнека. Штифт 9 не мешает повороту, так как во время экс­ плуатации машины он не должен стоять в своем гнезде, а предназнача­ ется для дополнительной фиксации цапфы во время транспортировки и монтажа литьевой машины. Как уже говорилось, во избежание залипания материала в загрузоч­ ном отверстии зона, расположенная рядом с этим отверстием, должна охлаждаться. Обычно используется водяное охлаждение, для чего в корпусе, удерживающем материальный цилиндр, предусматривается специальная полость А, как это показано на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схема охлаждения зоны вблизи загрузочного отверстия 3.3.2. Шнеки

Главным рабочим органом узла пластикации и впрыска литьевых машин является шнек, который выполняет следующие функции: 18

— захватывает гранулы полимера, поступившие в материаль­ ный цилиндр через загрузочное отверстие, и перемещает их от зоны загрузки к соплу материального цилиндра; — осуществляет плавление гранул, интенсивное перемешивание расплава, его гомогенизацию и сжатие, в результате чего из расплава удаляется воздух; — создает в расплаве давление, необходимое для его впрыска в литьевую форму. К основным техническим характеристикам шнеков относятся: наружный диаметр D; длина рабочей части L; шаг витка ζ глубина нарезки, или иначе высота профиля витка, h; ширина гребня нарезки Ь; угол винтовой нарезки φ; длины зон шнека li. Кроме того, для харак­ теристики относительной длины рабочей части шнека обычно исполь­ зуют соотношение L/D. В современных машинах применяются шнеки как с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки, так и с постоянной глубиной нарезки и переменным шагом. Длина шнеков обычно колеблется в пре­ делах (11 ÷ 16)D, однако в отдельных случаях она может достигать 25D. Наиболее распространены шнеки с постоянным шагом и переменной глубиной нарезки, так как изготовить их легче, чем шнеки с перемен­ ным шагом и постоянной глубиной нарезки. Так же, как и в процессах экструзии, длину рабочей части шнека условно разделяют на три зоны: зона загрузки (питания), зона пласти­ кации (сжатия) и зона дозирования, но строгих границ между этими зонами не существует. Зона загрузки — это участок шнека от загрузочного отверстия до места появления слоя расплава на поверхности цилиндра или шнека. Длина зоны загрузки равна (5 ÷ 10)0, а эффективность ее работы оце­ нивают количеством захватываемого в единицу времени полимера, поступающего через загрузочное отверстие на витки вращающе­ гося шнека. Шнек заставляет вращаться частицы твердого полимера, и в то же время они продвигаются в осевом направлении подобно свинчиваемой гайке с вращающегося винта. Величина осевого пере­ мещения материала зависит от соотношения коэффициентов трения между частицами полимера и поверхностями шнека и цилиндра. Чем меньше коэффициент трения между шнеком и материалом, тем больше скорость движения полимера в зоне питания. Для уменьшения коэф­ фициента трения поверхность шнека тщательно полируется. Для обе­ спечения питания полимером зоны пластикации и зоны дозирования глубина нарезки шнека в зоне загрузки должна быть большой и состав­ лять не менее 10 % наружного диаметра шнека. Зона пластикации — следующий за зоной загрузки участок шнека. Размягченные и частично расплавленные гранулы термопласта из зоны загрузки поступают в зону пластикации. За счет тепла нагревателей материального цилиндра и тепла внутреннего трения материал окон­ чательно переходит в вязкотекучее состояние. 19

Так как плотность расплава примерно в два раза больше, чем насып­ ная плотность твердого полимера, то образующийся расплав занимает вдвое меньший объем, чем гранулы. Поэтому, чтобы расплав заполнил объем винтового канала целиком, что важно для интенсивного пере­ мешивания, его необходимо сжать. Для обеспечения сжатия расплава шнек в зоне пластикации имеет по ходу движения расплава уменьша­ ющийся объем винтового канала, что достигается, например, за счет уменьшения глубины нарезки. Уменьшение объема винтового канала шнека оценивается степенью сжатия. Степень сжатия — это отношение объема винтового канала в зоне загрузки (питания) к объему винтового канала в зоне дозирования на длине в один шаг:

fcc-vπ∕vfl, где Vn и Уд — объемы винтового канала в зонах питания и дозирования соответственно. Для червяка с постоянным шагом степень сжатия равна отношению глубины нарезки в зоне питания к глубине нарезки в зоне дозирования. Наряду с фактором увеличения плотности материала вдвое при плавлении по сравнению с насыпной плотностью твердого термопла­ ста имеются и другие факторы, учитываемые при определении степени сжатия: колебание подачи материала при загрузке, эффективность перемещения твердых частиц и т. д. Длина зоны пластикации зависит от природы перерабатываемого полимера. Для переработки кристаллических полимеров применяются шнеки с короткой зоной пластикации, так как данные полимеры пла­ вятся в узком температурном диапазоне. Аморфные полимеры перехо­ дят в вязкотекучее состояние постепенно, поэтому шнеки для перера­ ботки аморфных полимеров имеют длинную зону пластикации. Производительность шнекового пластикатора зависит от конструк­ ции зоны дозирования. Необходимо отметить, что короткая зона дози­ рования с большой глубиной нарезки вследствие неравномерного про­ грева всей толщины расплава и увеличения сопротивления расплава на выходе имеет низкую производительность. Шнек с протяженной зоной дозирования и малой глубиной нарезки независимо от сопротив­ ления на выходе имеет высокую производительность. Поэтому длина зоны дозирования принимается равной (4 ÷ 7)0 с постоянными шагом и глубиной нарезки шнека. Для переработки термопластичных полимерных материалов литьем под давлением используют три типа шнеков: I тип — зональный; II тип — с короткой зоной пластикации; III тип — с прогрессивной зоной пластикации. У шнеков I типа длина зоны питания равна (5 ÷ 6)0, зоны пласти­ кации — (3 ÷ 4)0 и зоны дозирования — (5 ÷ 6)0. C помощью шнеков 20

I типа перерабатываются термостабильные полимеры с аморфной или аморфно-кристаллической структурой (полистирол и его сополимеры, ПЭНП, ПЭВП, поликарбонаты). У шнеков II типа длина зоны питания равна (6 ÷ 7)0, зоны дозирова­ ния — (6 ÷ 7)0. C помощью шнеков II типа перерабатываются в основ­ ном сравнительно низковязкие аморфно-кристаллические полимерные материалы (полиэтилены высокой и низкой плотности, полиэтилентерефталат, полиамиды, полипропилены, полиформальдегиды, поликар­ бонаты), а также АБС-пластики и полистиролы, т. е. такие шнеки явля­ ются более универсальными. У шнеков III типа длина зоны питания равна (5 ÷ 6)0, зоны пласти­ кации — (7 ÷ 8)0, зоны дозирования — (5 ÷ 6)0. Шнеками III типа перерабатываются вязкие расплавы, нетермостабильные, аморфные полимерные материалы с высокой вязкостью расплава (непластифицированный ПВХ, сополимеры полиметилметакрилата), а также АБСпластики, полистиролы и поликарбонаты, т. е. они тоже являются достаточно универсальными. Желательно, чтобы литьевые машины были укомплектованы тремя типами шнеков для переработки литьем под давлением основных видов термопластов. Для переработки широкого ассортимента ПМ — аморфных, аморфно­ кристаллических, высоковязких, низковязких, термостойких, напол­ ненных или без наполнителя — на производстве применяют универ­ сальные шнеки, которые представляют собой компромиссное решение: длина зоны питания составляет около 50 % от общей рабочей длины шнека, длина зоны пластикации — 30 %, а зоны дозирования — 20 %. C помощью универсальных шнеков может перерабатываться большин­ ство используемых в промышленности термопластов. Рабочая нарезка шнеков машин для литья под давлением реакто­ пластов выполняется с постоянной или даже монотонно возрастаю­ щей к концу шнека глубиной. Их длина составляет (12 ÷ 16)0, а сте­ пень сжатия колеблется от 0,8 до 1,0. Конец шнека выполняется в виде конуса с углом не менее 40—60° гладким или снабжается ножевыми лопастями 1, как это показано на рис. 3.10. Эти лопасти, практически касаясь внутренней конической поверхности сопла 2, предотвращают застой в этой области способного к отверждению реактопласта.

Рис. 3.10. Схема концевой части шнека для переработки реактопластов 21

Схемы наконечников шнеков, чаще всего используемых при пере­ работке термопластов, приведены на рис. 3.11. При переработке поли­ стиролов, полиолефинов, а также для материалов с резко выраженной кристаллической структурой (таких, как, например, полиамиды) при­ меняются наконечники с обратным кольцевым клапаном (рис. 3.11, а). Назначение обратного клапана-предотвращение обратного течения расплава материала по винтовым каналам шнека при впрыске рас­ плава в форму. При переработке непластифицированного поливинилхлорида на шнеках используют гладкие конические наконечники или кониче­ ские наконечники с винтовой нарезкой (рис. 3.11, б). Профиль этих наконечников должен соответствовать конфигурации внутренней части сопла или передней части материального цилиндра.

Рис. 3.11. Схемы наконечников шнеков Принципиальная конструкция наиболее распространенного обрат­ ного клапана кольцевого типа, применяемого при работе с низковяз­ кими термопластами, показана на рис. 3.12. Между концом шнека 2 и его наконечником 5 имеется проточка, в которой неподвижно уста­ навливаются седло 1 клапана и подвижный клапан 3. Во время набора дозы давление подаваемого вращающимся шнеком полимера сдвигает клапан в крайнее левое положение, как это показано на рис. 3.12. При этом через зазор h, называемый высотой рабочего прохода клапана, и специальные проходы, предусматриваемые на наконечнике шнека, расплав полимера поступает в пространство перед соплом матери­ ального цилиндра 4. По окончании набора дозы вращение шнека прекращается и создается осевое усилие, заставляющее шнек пере­ мещаться влево, впрыскивая при этом очередную дозу расплава через сопло в замкнутую форму. В отсутствие клапана часть расплава могла бы затекать в межвитковое пространство шнека, а доза впрыскивае­ мого материала при этом уменьшалась бы. Использование клапана позволяет избежать этого. Так как давление расплава перед наконеч­ ником шнека при впрыске становится больше, чем давление в межвитковом пространстве, то клапан сдвигается вправо и плотно прижима­ ется к седлу. Шнек в полном смысле начинает работать как поршень. Зазор между наружным диаметром клапана и внутренней поверхно­ стью материального цилиндра должен быть как можно меньшим. Что касается высоты рабочего прохода клапана h, то она зависит от наруж­ ного диаметра шнека: 22

D, мм

h, мм

30

3,0→,4

40

3,4-5,0

60

4,2-6,2

80

4,6-6,8

90

5,0-7,4

120

5,6-8,3

Рис. 3.12. Схема обратного клапана кольцевого типа Клапанное устройство шарикового типа, показанное на рис. 3.13, а, состоит из шарика 1, выполняющего роль обратного клапана, и седла 2, к которому в момент впрыска дозы расплава шарик прижимается и пре­ дотвращает обратный поток.

Рис. 3.13. Схемы конструкций клапанных устройств

В некоторых случаях для переработки материалов средней вязкости могут применяться специальные наконечники 1 (рис. 3.13, б) с умень­ шенным примерно в два раза шагом нарезки. В таком устройстве кла­ пан отсутствует, однако за счет большого гидравлического сопротив­ ления в каналах нарезки наконечника достигается практически тот же эффект, что и при установке клапана. 23

В литьевых машинах для переработки высоковязких термопластов и реактопластов используются шнеки без клапанных устройств. В ряде случаев на литьевых машинах устанавливаются шнеки спе­ циальной конструкции. Так, например, иногда требуется такая высо­ кая пластикационная производительность, которую нельзя обеспечить традиционными трехзонными шнеками. Для улучшения условий плав­ ления и пластицирования больших потоков расплава полимера кон­ струкцию шнека в таких случаях дополняют специальными элемен­ тами — диспергирующими (рис. 3.14, а и б) и смесительными (рис. 3.14, в) блоками. Диспергирующий элемент устанавливается в конце зоны дозирования шнека перед смесительным элементом и служит для обе­ спечения более равномерного измельчения и диспергирования твердых частиц за счет разделения потока расплава на множество небольших потоков. Это разделение вызывает существенные деформации сдвига, которые приводят к измельчению агломератов твердых частиц. Разра­ ботаны и устанавливаются смесительные блоки самых различных кон­ струкций. На рис. 3.14, в представлена схема зубчато-дискового смеси­ тельного блока.

Рис. 3.14. Схемы диспергирующих (а, б) и смесительного (в) элементов шнеков Двухзаходные шнеки позволяют повысить пластикационную про­ изводительность за счет образования более тонких пленок расплава на поверхности материального цилиндра и соответственно улучшения условий теплопередачи. Кроме того, благодаря малой толщине пленки расплава в ней возникают более высокие скорости сдвига, которые спо­ собствуют большей диссипации механической энергии и тем самым повышению скорости плавления. Дополнительным преимуществом двухзаходного шнека является создание равномерного профиля давле­ ния по длине шнека, которое из-за большего шага витка меньше, чем у обычного однозаходного шнека. Так как величина и профиль давле­ ния по длине шнека определяют степень и скорость механического износа шнека по наружному диаметру, то более низкое давление и рав­ номерный его профиль снижают износ двухзаходных шнеков. По сравнению с рассмотренными барьерные шнеки (рис. 3.15) обе­ спечивают более щадящую переработку полимеров при более высокой 24

производительности и однородности расплава. Их отличительной осо­ бенностью является то, что в конструкции шнека предусматривается барьерная зона. Виток канала шнека после зоны загрузки разделяется барьерной перемычкой на два канала: канал для нерасплавленных гра­ нул и канал для расплава. Барьерная перемычка имеет меньшую высоту нарезки, чем высота нарезки основных витков шнека, и поэтому обра­ зует больший зазор с поверхностью материального цилиндра. Однако величина зазора рассчитана таким образом, чтобы исключить попада­ ние нерасплавленных частиц гранул в канал для расплава и не созда­ вать слишком высоких напряжений сдвига при перетекании расплава через барьерную перемычку. В направлении зоны дозирования шнека сечение канала для расплава соответственно увеличивается. У боль­ шинства конструкций барьерных шнеков канал для твердого матери­ ала к концу зоны исчезает, а расплав течет по всей ширине межвиткового пространства и поступает в зону дозирования. Выход из барьерной

Барьерная

Вход в барьерную

Рис. 3.15. Схема барьерного шнека Для согласования производительностей всех зон шнека шаг нарезки в барьерной зоне больше, чем в зоне загрузки. Уменьшение объ­ ема межвиткового пространства в конце барьерной зоны заставляет нерасплавленные гранулы прижиматься к поверхности материального цилиндра и более интенсивно плавиться. Образовавшаяся на поверх­ ности пленка расплава сжимается активным гребнем витка и направ­ ляется в канал для расплава, который в конце барьерной зоны значи­ тельно глубже, чем канал для твердого материала, и расплав в целом испытывает значительно меньшие напряжения сдвига. Дегазационный шнек работает следующим образом. Исходное сырье без предварительной или после частичной просушки вводится в зону загрузки, уплотняется и плавится за счет подвода внешнего и выделе­ ния диссипативного тепла. По мере повышения температуры расплава возрастает и давление выделяющихся газов и паров. При входе в зону дегазации давление в расплаве за счет резкого увеличения сечения канала шнека снижается практически до атмосферного. Геометрия нарезки в зоне дегазации выполняется таким образом, чтобы произво­ дительность на выходе из зоны была выше, чем подача расплава в зону. Эта особенность нарезки шнека препятствует заполнению зоны дегаза­ ции расплавом и способствует удалению из расплава паров и летучих 25

веществ. Кроме того, профиль нарезки шнека в зоне дегазации обеспе­ чивает интенсивное перемешивание расплава и соответственно уда­ ление паров и летучих. Неполное заполнение шнека в зоне дегазации гарантирует образование свободного кольцевого канала, по которому пары и летучие при возвратно-поступательном перемещении шнека беспрепятственно достигают дегазационных отверстий. После прохож­ дения зоны дегазации расплав вновь сжимается во второй зоне сжатия и далее перерабатывается как на обычных шнеках. Крутящий момент от привода, обеспечивающего вращение шнека, передается на хвостовик шнека через шлицевое или шпоночное соеди­ нение. По способу монтажа шнеков различают машины, у которых шнеки свободно лежат в расточке материального цилиндра и с приводным валом связываются муфтой, и машины, у которых шнеки жестко фик­ сируются относительно расточки цилиндра за счет соответствующей посадки в приводном валу. Шнеки для переработки термопластов и реактопластов изготавли­ вают либо на специальном оборудовании, предназначенном для меха­ нической обработки шнеков, либо на токарно-винторезных станках, у которых на суппорте вместо резца установлена фреза с приводом, обеспечивающим ее вращение. Винтовой канал фрезеруется за два или три прохода с термической стабилизацией между проходами для сня­ тия напряжений, возникших в процессе обработки. В процессе работы узла пластикации и впрыска шнек испытывает большие нагрузки. Он передает большие крутящие моменты, испы­ тывает деформацию сжатия, подвергается истиранию из-за трения о стенку цилиндра и перерабатываемый материал. При переработке некоторых полимеров шнек испытывает действие агрессивных сред, в этих случаях шнек должен обладать высокой коррозионной устойчи­ востью. Поскольку технология изготовления шнеков довольно сложна, материал для их изготовления должен обладать хорошей обрабатыва­ емостью. Большинство перерабатываемых материалов в процессе пластика­ ции не выделяет особенно активных агрессивных сред. Для переработки таких материалов шнеки целесообразно изготавливать из азотирован­ ных сталей. Ввиду большой длины и сложного профиля шнеков наи­ лучшим видом их термообработки, исключающим коробление, явля­ ется азотирование. Азотированный слой обладает высокой твердостью, сохраняющейся при температурах 500—550 °C, и большой устойчи­ востью к истиранию. Азотирование повышает химическую стойкость ко многим агрессивным средам, кроме того, при азотировании практи­ чески не возникает термическая деформация шнеков, как это случается при объемной или высокочастотной закалке. Только при азотировании удается сохранить строгую прямолинейность оси шнека. Достигаемая при азотировании твердость поверхности шнека составляет HRA 70—74. После азотирования рабочую нарезку шнека и его хвостовик шлифуют. 26

Для переработки материалов, у которых температура пластикации близка к температуре разложения, шнеки изготавливают из высоколе­ гированных коррозионно-стойких сталей. Опыт эксплуатации показал, что гальванически хромированные шнеки недолговечны, так как наличие температурных напряжений и напряжений, возникающих от деформации кручения в процессе работы шнека, приводит к растрескиванию, а затем и шелушению слоя хрома. Для увеличения долговечности некоторые зарубежные фирмы производят наплавку или напыление твердосплавных материалов по наружному диаметру витков червяка. 3.3.3. Сопла материальных цилиндров

Сопло материального цилиндра выполняет две основные функции: обеспечивает подачу (впрыск) расплава в центральную литниковую втулку формы и исключает подтекание расплава из цилиндра в период набора дозы узлом пластикации. Для обеспечения герметичности при впрыске расплава диаметр наконечника сопла должен быть несколько меньше соответствующего диаметра центральной литниковой втулки. В США стандартные диаметры наконечников сопел составляют при­ мерно 12,7 и 17,8 мм, а в Европе — 10, 15, 20 и 30 мм. C целью наиболее плотного прилегания наконечника сопла к цен­ тральной литниковой втулке наконечники сопел имеют форму сфери­ ческого сегмента, а на центральной литниковой втулке выполняется углубление соответствующей формы. При этом радиус сферы сопла дол­ жен быть всегда несколько меньше, чем радиус сферической проточки на литниковой втулке. На практике обычно принимают радиус вогну­ тости центральной литниковой втулки на 5—10 мм больше, чем радиус сопла. Такое соотношение радиусов обеспечивает хорошее уплотнение. В ряде случаев используются сопла с плоским торцом наконечника, например при литье в форму, выполненную без литниковой втулки. Крепление сопла на материальном цилиндре описано в разделе 3.3.1. При переработке высоковязких материалов применяются сопла открытого типа. Иногда их называют еще соплами свободного исте­ чения. Схема простейшей конструкции такого сопла приведена на рис. 3.16, а. Сопло 1, установленное на материальном цилиндре 4 и снабженное нагревателем 2, имеет постоянно открытый проход. Внутренняя полость сопла близка по своей геометрии к конфигурации наконечника шнека 3. При переработке низковязких материалов используются сопла закрытого типа различной конструкции. Схема сопла с игольча­ тым клапаном приведена на рис. 3.16, б. Сопло состоит из корпуса 5 и насадки 1. Под воздействием пружины 4, передаваемым через тарель­ чатую шайбу 3, игольчатый клапан 7 перекрывает отверстие в насадке и препятствует вытеканию расплава полимера во время набора дозы. В момент впрыска в полости А возникает высокое давление, которое, 27

действуя на коническую часть игольчатого клапана, создает усилие, достаточное для противодействия усилию пружины. Клапан отходит вправо и открывает отверстие в насадке. Расплав через переходник 6, корпус сопла и насадку впрыскивается в предварительно сомкнутую форму. Для поддержания температуры расплава на насадке устанавли­ вается электронагреватель 2. Сопло с шиберным затвором (рис. 3.16, в) открывается в момент подвода насадки сопла 1 к центральной литниковой втулке формы; создавшееся при этом усилие передается на опорное кольцо 3 и сжи­ мает пружину 4. При этом шибер 5 отходит вправо, открывается сквоз­ ной проход в шибере, и во время впрыска полимер беспрепятственно попадает в форму. После отвода узла пластикации и впрыска от формы насадка сопла вместе с шибером под воздействием пружины сдвига­ ются влево относительно корпуса сопла 6, и проход в шибере перекры­ вается. Температура расплава в сопле поддерживается электронагрева­ телем 2. Сопло с затвором в виде круглого стержня (рис. 3.16, г) состоит из корпуса 3 с насадкой 1, на которой размещен нагреватель 2. В затворе 4 стержневого типа имеется отверстие, ось которого в момент впрыска совпадает с осью отверстия внутри корпуса сопла. Во время набора дозы стержень сдвигается и перекрывает выход из сопла. Пере­ движение затвора стержневого типа осуществляется либо от рычаж­ ного привода, срабатывающего при подводе и отводе узла пластикации и впрыска, либо от специального электромагнитного привода.

Рис. 3.16. Схемы конструкций сопел материальных цилиндров

3.3.4. Загрузочные бункера Основная задача бункерных устройств — обеспечить узел пласти­ кации и впрыска бесперебойным питанием гранулированным или порошкообразным материалом. 28

Конструкция бункера особенно важна при переработке порошко­ образных материалов, которые часто склонны к сводообразованию, с большим разбросом размеров частиц, материалов с различной фор­ мой частиц, а также сильно сжимаемых материалов. Использование подобных полимерных материалов диктует применение в конструк­ циях бункеров специальных узлов (например, вибраторов), антифрик­ ционных покрытий, внутренних конусов, вращающихся скребков и т. п. Для материалов, нуждающихся в предварительной подсушке (полиа­ мидов, сополимеров стирола, полиметилметакрилата и т. д.), применя­ ются бункера с электроподогревом. Уровень заполнения бункера отслеживается при ручной загрузке сырья с помощью специальных смотровых окон, устанавливаемых на стенках бункера. При механизированной загрузке сырья, например пневмотранспортом, заполнение бункера фиксируется двумя датчи­ ками, один из которых отслеживает минимальный уровень заполне­ ния, а второй — максимальный. Схема конструкции простейшего бункера представлена на рис. 3.17. Корпус 1 бункера монтируется над загрузочным отверстием матери­ ального цилиндра 4. В нижней части бункера установлена шиберная заслонка 3, с помощью которой можно вручную перекрыть отверстие между бункером и цилиндром. Это приходится делать при необходи­ мости прекратить подачу полимера в материальный цилиндр без опо­ рожнения бункера. Внутри бункера приварена наклонная пластина 2, которая обеспечивает поддержание постоянного уровня материала над загрузочным отверстием. Пластина принимает на себя тяжесть распо­ ложенного над ней материала. Гранулят как бы стекает по этой пла­ стине, как по лотку, к стенкам бункера, а уж затем попадает к загру­ зочному отверстию.

Рис. 3.17. Схема бункера с наклонной пластиной 29

Для переработки порошкообразных материалов применяют бун­ кера 1 с установленными в них ворошителями 2 (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Схема бункера с ворошителем Для подогрева и подсушки материала на литьевых машинах при­ меняются бункера с подогревом (рис. 3.19). Нагревательная система состоит из вентилятора (на рисунке не показан), трубчатых электро­ нагревателей воздуха 1, термодатчика, интегрированного в систему управления литьевой машиной, и сетчатого цилиндра 2. Воздух, нагне­ таемый вентилятором, подогревается в сетчатом цилиндре трубчатыми нагревателями и, проникая через ячейки сетчатого цилиндра, проходит через толщу материала, заполняющего бункер.

Рис. 3.19. Схема бункера с воздушным подогревом 30

3.3.5. Привод шнека Задачами привода шнека литьевой машины является создание крутящего момента для вращения шнека при наборе очередной дозы расплава полимера и обеспечение поступательного движения шнека в момент впрыска расплава в литьевую форму. Как уже говорилось, в различных конструкциях литьевых машин используются различные виды приводов: гидравлический, гидромеханический и электромехани­ ческий (зарубежные фирмы называют его электрическим). Привод, создающий вращательное движение шнека, должен обе­ спечивать постоянную скорость вращения при изменении крутящего момента. При неравномерной скорости вращения шнека при наборе дозы баланс тепла, поступающего к материалу от внешних нагревате­ лей, и тепла, возникающего при трении, нарушается. При этом затруд­ няется подбор режима пластикации, особенно при переработке нетер­ мостабильных материалов. Один из наиболее современных гидравлических приводов пред­ ставлен на рис. 3.20. Привод шнека состоит из гидродвигателя, вала, соединяющего мотор со шнеком, а также двух гидроцилиндров впры­ ска. Набор необходимой дозы материала происходит при вращении шнека 4, осуществляемом с помощью высокомоментного радиально­ поршневого нерегулируемого гидродвигателя 1 через соединительный вал 2. Под давлением пластицируемого материала, нагнетаемого вра­ щающимся шнеком в переднюю часть цилиндра, шнек-поршень пере­ мещается вправо. Величина набираемой дозы зависит от перемещения шнека в осевом направлении — хода шнека.

Рис. 3.20. Схема гидравлического привода шнека с высокомоментным гидродвигателем Перед впрыском необходимой дозы открывается игольчатый клапан с помощью механизма управления клапаном и посредством двух гидро­ 31

цилиндров 3 происходит впрыск материала в форму по программе с выдержкой под давлением в конце цикла. После этого происходит закрытие игольчатого клапана и начинается цикл набора дозы. Регулировать процессы формования можно изменением скорости течения полимера при заполнении формы путем изменения скоро­ сти впрыска (скорости перемещения шнека). Скорость перемещения шнека может независимо регулироваться на отдельных участках его перемещения. Изменение скорости перемещения шнека позволяет регулировать давление в форме и его распределение по длине формую­ щей полости в период ее заполнения. Гидравлическая система с насосом и системой регулирования с обратной связью обеспечивает точное управление подачей насоса и давлением рабочей жидкости. Это позволяет уменьшить затраты на обслуживание гидравлических блоков управления, снизить потре­ бление энергии, стабильно управлять скоростями перемещения меха­ низмов независимо от температуры масла, гарантировать высокую надежность гидросистемы, простоту обслуживания. Параллельно с машинами, имеющими гидравлический привод шнека, многие фирмы в ряде конструкций применяют сочетание элек­ тромеханического привода для вращения шнека с гидравлическим — для его перемещения в осевом направлении. Примеры таких приводов приведены на рис. 3.21. Гидромеханический привод со встроенным червячным редуктором (рис. 3.21, а) состоит из червяка 8, установ­ ленного в корпусе 7 редуктора 1 и соединенного эластичной муфтой с регулируемым электродвигателем 2. Через зубчатое колесо 5 и шли­ цевое соединение 6 вращающий момент передается червяку 8. Осе­ вое перемещение червяка осуществляет плунжер 4, установленный в гидроцилиндре 3.

Рис. 3.21. Схемы гидромеханических приводов Гидромеханический привод с выносным редуктором (рис. 3.21, б) отличается тем, что червячное колесо 2 установлено на консольном шлицевом валу 3, соединенном с плунжером 1. Другой конец плунжера соединен с червяком 4. Помимо использования в таких конструкциях червячных редукторов находят применение редукторы цилиндриче­ ские и коробки скоростей. 32

Электромеханический, или электрический, привод обеспечивается двумя электродвигателями, способными создавать большой крутящий момент при регулируемой небольшой частоте вращения вала. Один из двигателей передает крутящий момент через промежуточный вал непосредственно на шнек, аналогично гидродвигателю, изображен­ ному на рис. 3.20. Второй двигатель с помощью, например, винтовой пары или другого механизма, преобразующего вращательное движение в поступательное, обеспечивает поступательное движение шнека при впрыске. Кроме привода шнека большинство машин имеет отдельный при­ вод для подвода к форме узла пластикации и впрыска. При этом суще­ ствует два варианта: либо узел пластикации и впрыска целиком пере­ двигается на салазках по направляющим, закрепленным на станине машины, либо узел устанавливается на колоннах, которые выполняют роль направляющих при движении узла. Как правило, привод дви­ жения узла пластикации и впрыска обеспечивается одним или двумя гидроцилиндрами. Исключение составляют только машины с электро­ механическим приводом. Пример узла пластикации и впрыска, установленного на колон­ нах и приводимого в движение двумя гидроцилиндрами, приведен на рис. 3.22. Материальный цилиндр укрепляется в подвижном кор­ пусе 4. Через корпус узла проходят колонны 3, связывающие плиты 1 и 6. Опоры 2 служат для поддержания колонн. В плите 6 укреплены два симметрично расположенных гидроцилиндра 5, под действием кото­ рых весь узел перемещается по колоннам.

Рис. 3.22. Схема узла пластикации и впрыска, укрепленного на колоннах

3.4. Узлы смыкания форм Узлы смыкания литьевых форм в первую очередь предназначены для обеспечения плотного и надежного прилегания обеих половин литье­ вых форм друг к другу в период впрыска материала, выдержки буду­ щего изделия под давлением и охлаждения (или отверждения) изделия. 33

Для получения качественной продукции требуется надежное запирание формы. В противном случае часть расплава может вытечь по линии разъема формы. При этом вокруг изделий в плоскости разъема обра­ зуется облой, возможны недоливы, уменьшается плотность изделий, могут измениться его геометрические размеры. Кроме того, узлы смыкания форм должны обеспечивать быстрое раскрытие формы с готовым изделием и способствовать его качествен­ ному извлечению из формы. Скорость раскрытия и смыкания формы в значительной степени влияет на производительность литьевой машины. Особенно сильно это влияние при производстве тонкостенных изделий небольшого объема. Для увеличения быстроходности машины скорость раскрытия и смыка­ ния формы должна быть максимально возможной. Только в конце хода смыкания формы скорость должна снижаться, чтобы избежать повреж­ дений в момент плотного прижатия полуформ друг к другу. Конструкция узла смыкания во многом определяет технико-эконо­ мические показатели всей литьевой машины, трудоемкость ее изготов­ ления, габариты и материалоемкость — ведь масса этого узла часто составляет более половины массы всей машины. Узел смыкания форм, как правило, включает в себя следующие важ­ нейшие элементы: — колонны; — плиты — подвижные и неподвижные; — механизм (или механизмы), сообщающий подвижной плите воз­ вратно-поступательное движение и обеспечивающий надежное запи­ рание формы; — устройство, обеспечивающее привод выталкивающих систем литьевых форм. Колонны обычно выполняют две задачи. Во-первых, на них замыка­ ются усилия, возникающие в узле при запирании формы, впрыске в нее очередной порции расплава и при выдержке будущего изделия под давлением. Во-вторых, колонны играют роль направляющих, по кото­ рым совершает возвратно-поступательное движение подвижная плита. Наиболее распространены двух- и четырехколонные узлы смыкания. В настоящее время ряд фирм практикует выпуск так называемых бесколонных машин. В них усилие замыкается в С-образных рамах, а под­ вижная плита передвигается на салазках по направляющим, закреплен­ ным на станине машины. Плиты служат для установки на них полуформ. На неподвижной плите укрепляется полуформа с литниковым каналом, через который осуществляется впрыск расплава. На некоторых машинах не предусма­ тривается возможность подвода и отвода узла пластикации и впрыска. В этих случаях используются так называемые «условно неподвижные» плиты. При смыкании формы эти плиты перемещаются на несколько миллиметров и прижимаются к неподвижной траверсе, сжимая при этом пружины. Сопло материального цилиндра плотно прижимается 34

к литниковому отверстию в полуформе. Осуществляются впрыск рас­ плава в форму, выдержка под давлением и охлаждение (отверждение) изделия. В момент раскрытия формы пружины отталкивают условно неподвижную плиту с установленной на ней полуформой, между соплом и литниковым каналом формы образуется зазор и литник обры­ вается. На подвижной плите устанавливается полуформа с механизмом выталкивания. Для обеспечения возможности работы машины в автоматическом режиме узлы смыкания форм снабжаются устройствами, обеспечива­ ющими привод выталкивающих систем литьевых форм. В простейшем варианте — это регулируемые упоры для хвостовиков литьевых форм. В современных конструкциях машин предпочтение отдается механи­ ческим или гидравлическим устройствам, приводящим в движение выталкивающие системы литьевых форм. По виду привода все конструкции узлов смыкания форм можно раз­ делить на гидравлические, пневматические, гидромеханические, пнев­ момеханические и механические (полностью электрические). Нужно сразу оговориться, что пневматические и пневмомеханические при­ воды встречаются по целому ряду причин достаточно редко и в данном учебном пособии не рассматриваются. Гидравлические конструкции узлов смыкания форм относятся к механизмам, в которых усилие запирания является внешним по отно­ шению к самому механизму. Гидромеханические и механические устройства являются механизмами кинематического запирания, так как в них усилие запирания развивается за счет упругой деформации звеньев, создаваемой приводом. Основными параметрами, характеризующими узлы смыкания форм, являются: площадь литья; усилие запирания формы; время раскрытия и закрытия формы; размеры плит; ход подвижной плиты; наибольшее и наименьшее расстояния между плитами (определяют возможные минимальную и максимальную высоты формы); наличие устройства для регулировки расстояния между плитами; усилие раскрытия формы; усилие выталкивания (для узлов, снабженных соответствующим устройством). Важным параметром узла смыкания формы является также его жесткость, однако она не всегда указывается в технической характеристике машины. Площадь литья — это площадь проекции поверхности изделия на плоскость плит. Она определяет наибольшее по площади изделие, которое можно получить на данной машине. Площадь литья опреде­ ляется статистическим ассортиментом изделий, которые предположи­ тельно можно изготавливать на данной машине. Усилие запирания формы рассчитывается по площади литья и сред­ нему давлению в полости формы. Оно в значительной степени опреде­ ляет качество изделия. Даже небольшое превышение усилия, развива­ ющегося в форме, над усилием, создаваемым узлом смыкания, ведет 35

к раскрытию формы, вытеканию части расплава и образованию облоя вокруг изделия. Время раскрытия и закрытия формы, например простого гидравли­ ческого узла, складывается из следующих составляющих: время уско­ ренного перемещения подвижной плиты; время замедленного переме­ щения подвижной плиты; время подъема давления в главном цилиндре механизма смыкания; время ускоренного раскрытия формы; время замедленного перемещения плиты при подходе к механизму, обеспе­ чивающему привод выталкивающей системы литьевой формы. Размеры плит зависят от максимальной площади литья, выбранной для данной машины. Ход подвижной плиты для каждого типоразмера машины определяется так же, как и площадь литья, ассортиментом изделий, на который рассчи­ тана данная машина (зависит от высоты изготавливаемых изделий). Наибольшее расстояние между плитами также определяет наиболь­ шую высоту изделия, которое можно изготовить на данной машине. Наибольшая высота формы

— ^изд / k-ι ’

где /гизд — высота изделия; k1 — коэффициент, равный для глубоких изделий 0,4—0,6. Ход подвижной плиты S и высота изделия связаны соотношением k∏ , 5 = ~кизд»

где k1 — коэффициент, значение которого в зависимости от объема отливки меняется следующим образом: Объем отливки, см3

Коэффициент k2

8

16—32

63

125

250—500

1000

0,80

0,82

0,84

0,90

0,93

1,15

Наибольшее расстояние между плитами h, ( 1 I = -⅛-(k2+i), или L = Sl+⅛ к. >

Обычно расстояние между плитами регулируется в пределах (0,3 ÷ 0,5)ħφ. Усилие раскрытия формы зависит от качества обработки формую­ щих полостей формы и остаточных давлений. C увеличением давле­ ния впрыска и выдержки изделия в форме увеличивается и остаточное давление. Обычно усилие раскрытия формы составляет не менее 10 % от усилия запирания, а усилие выталкивания — в пределах 1,5—2,0 % от усилия запирания. Усилие выталкивания зависит от конструкции изделия и литьевой формы, поэтому номинальное усилие гидроцилиндра выталкивания 36

определяется по усредненным опытным данным в зависимости от уси­ лия запирания формы и максимального объема впрыска конкретного типа литьевой машины. Одной из важнейших характеристик любого узла смыкания является его жесткость, т. е. способность противостоять деформированию при реализации максимально развиваемых нагрузок. Каждая деталь узла смыкания, участвующая в передаче нагрузки, деформируется при уве­ личении последней. Обычно конструкторы предусматривают работу деталей в пределах уровня напряжений, не превышающего предела упругости, поэтому деформация каждого элемента пропорциональна прикладываемой нагрузке. Кроме того, в гидравлических системах учитывается то обстоятельство, что масло в главном гидроцилиндре (а именно масло выступает чаще всего в роли рабочей жидкости) при давлениях, реализуемых в гидросистемах, сжимается приблизительно на один процент. Жесткость узла смыкания оценивается эксплуатаци­ онщиками по графику усилие смыкания — деформация узла смыкания, который должен прилагаться к технической документации на конкрет­ ную машину. Жесткие узлы смыкания обладают следующими преимуществами: — лучше противостоят «всплескам» давления внутри формы, исклю­ чая варианты ее несанкционированного раскрытия; — позволяют использовать меньшее начальное усилие смыкания, что увеличивает срок эксплуатации как формы, так и самого узла смы­ кания; — потребляют меньше энергии, чем узлы с меньшей жесткостью, работающие с тем же усилием смыкания; — позволяют получать большую точность так называемых «высот­ ных размеров» в отливаемых изделиях. 3.4.1. Схемы узлов смыкания Несмотря на достаточно интенсивное развитие производства литье­ вых машин, принципиальные схемы работы различных по конструк­ ции узлов смыкания не претерпевали изменений уже многие десяти­ летия. Поэтому наиболее полная классификация схем узлов смыкания самой различной конструкции, выполненная в конце 60.x годов про­ шлого века С. Г. Гурвичем, является актуальной и на сегодняшний день. Появление в последние годы так называемых полностью электрических машин принципиально не внесло ничего нового в приводимую ниже классификацию, так как в этих машинах за счет применения электро­ двигателей, развивающих большой крутящий момент при малых чис­ лах оборотов, несколько упрощается механический привод, но прин­ цип действия узлов остается неизменным. В гидравлических одноступенчатых механизмах (устройствах пря­ мого действия) перемещение подвижной плиты и создание усилия запи­ рания формы создается с помощью гидроцилиндров. Гидравлические узлы смыкания прямого действия просты по конструкции, но отлича­ 37

ются значительной металлоемкостью. Они нашли применение в литье­ вых машинах различных типоразмеров. В устройствах с большими усилиями запирания гидропривод работает по замкнутому циклу, что уменьшает объем жидкости в системе. Схемы наиболее часто приме­ няемых гидравлических устройств запирания прямого действия при­ ведены ниже. Прежде чем рассматривать конкретные схемы узлов смыкания, оговоримся, что ход подвижной плиты можно разделить на два этапа. На первом этапе подвижная плита с полуформой движется навстречу неподвижной полуформе (это перемещение большинство авторов называют кинематическим). Второй этап начинается при подходе под­ вижной полуформы к неподвижной. Во избежание удара двух полу­ форм друг о друга скорость движения подвижной плиты должна быть низкой. Скорость подвижной плиты на двух этих этапах может быть одинаковой. Однако с точки зрения повышения производительности машины выгодно, чтобы кинематическое перемещение происходило с как можно большей скоростью. Это, как правило, реализуется в совре­ менных машинах и называется ускоренным перемещением. Тогда по контрасту перемещение на втором этапе называют замедленным. На рис. 3.23, а изображена схема гидравлического узла смыкания прямого действия с верхним расположением гидробака 2, соединен­ ного с главным гидроцилиндром 5 наливным клапаном 1. Главный гидроцилиндр 5 и гидроцилиндр ускоренного хода 4 имеют централь­ ное расположение (их оси совпадают с осью, проходящей через центры масс подвижной и неподвижной плит). Ускоренное перемещение под­ вижной плиты 3 происходит при подаче рабочей жидкости в гидроци­ линдр 4. Замедленное перемещение плиты с последующим созданием усилия смыкания литьевой формы б осуществляется при одновремен­ ной подаче жидкости в полости цилиндров 4 и 5. Подобные схемы оправдывают себя при усилиях смыкания от 1000 до 3500 кН.

Рис. 3.23. Схемы одноступенчатых гидравлических узлов смыкания форм 38

Для машин с усилием запирания форм более 3500 кН центральный поршень заменяется плунжером 4 (рис 3.23, б). Как и в предыдущей схеме, узел оборудован верхним гидробаком 2, соединенным с главным гидроцилиндром наливным клапаном 1. Ускоренный подвод плиты 3 осуществляется боковыми гидроцилиндрами 5. Схема, приведенная на рис. 3.23, в, рекомендуется для машин с уси­ лием смыкания до 3500 кН в исполнении с центральным поршнем, а для более мощных машин — с центральным плунжером. Ускоренное перемещение подвижной плиты 1 осуществляется боковыми гидроци­ линдрами 2. Клапан наполнения 3 главного цилиндра 4 располагается снизу. Форма запирается при одновременном нагнетании рабочей жид­ кости в цилиндры 2 и 4. В машинах, развивающих усилия смыкания до 1800 кН, иногда используются схемы, подобные изображенной на рис. 3.23, г. Ускорен­ ное перемещение подвижной плиты 2 в них происходит при подаче жидкости одновременно в магистрали А, Б и В. Жидкость выдавлива­ ется из цилиндра заполнения 4 и через управляемый обратный клапан направляется в цилиндр 3. Объем цилиндра 4 равен объему цилин­ дра 3. При поднятии давления в цилиндре 3 обратный клапан отсекает полость цилиндра 4. Замедленное перемещение подвижной плиты про­ исходит при одновременной подаче жидкости в полости цилиндров 1 и 3. В работе узла, схема которого показана на рис. 3.23, д, использован принцип дифференциального подключения полостей цилиндра 2. Уско­ ренное перемещение подвижной плиты 3 происходит при подаче жид­ кости в магистраль А. Жидкость из штоковой полости главного цилин­ дра выдавливается в рабочую полость. Нормальная работа механизма зависит от соблюдения равенства πD2 = 4πd2, где D — диаметр плун­ жера ускоренного подвода, d — диаметр штоков. Замедленное переме­ щение плиты 3 осуществляется при одновременной подаче жидкости в магистрали А и Б. Гидравлические двухступенчатые узлы смыкания можно подразде­ лить на механизмы, в которых кинематические перемещения подвиж­ ной плиты осуществляются механическими или гидромеханическими устройствами (винт с гайкой, шестерня с рейкой, шарнирно-рычажное устройство), а усилие запирания развивается и поддерживается в про­ цессе работы гидравлическим цилиндром, и механизмы, в которых кинематические перемещения и создание усилия запирания осущест­ вляются гидроцилиндрами. Усилие запирания может регулироваться давлением жидкости в зависимости от изготавливаемого изделия. В машинах большой мощности часто используются двухступенчатые механизмы запирания с гидравлическими цилиндрами, осуществляю­ щими кинематические перемещения подвижной плиты. Эти механизмы не столь металлоемки, как одноступенчатые гидравлические. Схемы наиболее широко применяемых двухступенчатых механизмов, в кото­ рых кинематические перемещения и создание усилия запирания осу­ 39

ществляются только гидроцилиндрами, приведены на рис. 3.24. В этих устройствах главный гидравлический цилиндр, создающий усилие запирания, располагается либо в подвижной, либо в задней неподвиж­ ной плите (траверсе). Во многих конструкциях главный гидроцилиндр располагается в подвижной плите, так как это сокращает количество плит узла смыкания. В устройстве, схема которого изображена на рис. 3.24, а, ускорен­ ное перемещение подвижной плиты 5 происходит при подаче жидко­ сти в магистраль А гидроцилиндра 8. Далее гидроцилиндры 3 выдви­ гают упорные планки 2 и 7, а затем жидкость поступает по магистрали Б в главный гидроцилиндр 4, который и создает полное усилие запи­ рания. Выдвижение упорных планок обеспечивает необходимую жест­ кость конструкции при передаче указанного усилия. Вообще различ­ ные конструкции с применением выдвижных планок используются

Рис. 3.24. Схемы двухступенчатых гидравлических узлов смыкания форм Расстояние между плитами 5 и 6 регулируется гайкой 1. Вращение элементов винтовых пар (винта или гайки), используемых как в этой, так и в последующих схемах для регулирования расстояния между плитами на машинах малой мощности, часто производится вручную. На литьевых машинах большой мощности для этих целей предусматри­ ваются специальные приводы. В конструкции, схема которой приведена на рис. 3.24, б, ускорен­ ное перемещение подвижной плиты 4 происходит при подаче жидкости в магистраль Б. После того как полуформы сблизились на нужное рас­ стояние, создается давление в гидроцилиндре 3, который перемещает упорную планку 2 в положение, показанное на схеме. При этом созда­ ется единая жесткая система для передачи усилия от плунжера глав­ ного гидроцилиндра 7 к подвижной плите 4. Затем рабочая жидкость, 40

поступающая под давлением по магистрали А в главный гидроцилиндр, создает необходимое усилие запирания. Расстояние между плитами 4 и 5 регулируется путем изменения объема жидкости в главном гидро­ цилиндре. Из-за увеличенного объема цилиндра 1 жесткость всего узла запирания получается несколько ниже, чем в предыдущей схеме. Устройства такого рода широко использовали на отечественных маши­ нах. В схеме, изображенной на рис. 3.24, в, ускоренное перемещение под­ вижной плиты 4 происходит после подачи рабочей жидкости в маги­ страль Б. Далее гидроцилиндр 2 выдвигает упорную планку 3, а затем жидкость по магистрали А поступает в главный гидроцилиндр 7. В нем создается давление, и плунжер гидроцилиндра через упорную планку передает усилие смыкания на установленную между плитами 4 и 5 форму. Расстояние между плитами 4 и 5 регулируется в этой кон­ струкции вращением винта 6. Схема узла смыкания, показанная на рис. 3.24, г, используется на больших литьевых машинах с объемом впрыска 1000 см3 и более. Ускоренное перемещение подвижной плиты осуществляется двумя гидроцилиндрами 1. После этого следует выдвижение упорной планки 2, которое выполняет специально предназначенный для этого цилиндр 3. По окончании движения упорной планки рабочая жидкость под дав­ лением подается в магистраль А главного гидроцилиндра 4, который создает усилие смыкания. Расстояние между плитами 5 и 6 регулиру­ ется путем изменения объема жидкости в главном гидроцилиндре 4. Из-за увеличенного объема цилиндра 4 жесткость запирания ниже, чем в предыдущих конструкциях. В ряде конструкций используются схемы (рис. 3.24, д и е), в кото­ рых ускоренное перемещение подвижной плиты также происходит при помощи специальных гидроцилиндров. Так, после ускоренного перемещения гидроцилиндром 1 подвижной плиты 6 (см. рис. 3.24, д) гидроцилиндр 4 устанавливает упорную планку 5. Усилие запирания создается главным гидроцилиндром 8. Расстояние между плитами 6 и 7 регулируется путем перемещения задней плиты 2 по колоннам при помощи, например, червячной пары 3 или другого типа механической передачи. В схеме, изображенной на рис. 3.24, е, ускоренное переме­ щение подвижной плиты 7 осуществляется либо центрально распо­ ложенным гидроцилиндром 1, либо (в машинах большой мощности) гидроцилиндром 1 и двумя гидроцилиндрами 12. Далее при помощи гидроцилиндра 10 и передачи рейка — шестерня 11 диск 4 проворачи­ вается на 45°. Усилие запирания создается главным гидроцилиндром 6 после подачи рабочей жидкости в магистраль Б. Расстояние между пли­ тами 7 и 8 регулируется перемещением задней плиты 9 по колоннам 5 при помощи червячной 3 и зубчатой 2 передач. Схемы двухступенчатых гидравлических узлов смыкания, в которых для ускоренного перемещения подвижной плиты используется механи­ ческое или гидромеханическое устройство, приведены на рис. 3.25. 41

2

3

4 5

в

Рис. 3.25. Схемы двухступенчатых гидравлических узлов смыкания форм с механическим или гидромеханическим приводом для ускоренного перемещения подвижной плиты Двухступенчатые гидравлические механизмы с механическим или гидромеханическим устройством для кинематических перемещений подвижной плиты обладают рядом преимуществ по сравнению с чисто гидравлическими двухступенчатыми: — время смыкания и раскрытия формы с развитием усилия запира­ ния у них значительно меньше; — схема привода проще; — меньше необходимая мощность привода; — необходимая производительность насоса заметно меньше. В узле, схема которого приведена на рис. 3.25, а, ускоренное пере­ мещение подвижной плиты 5 производится с помощью винтовой пары (винта 3 и гайки 2). Вращение гайки 2 обеспечивается электродвигате­ лем 1 через зубчатую или клиноременную передачу. В так называемых электрических машинах крутящий момент с вала двигателя передается непосредственно на гайку. Усилие запирания развивается после подачи под давлением рабочей жидкости в главный гидроцилиндр 4. Основное преимущество такого устройства — отсутствие необходимости в специ­ альном механизме регулировки расстояния между плитами 5 и б. Ускоренное перемещение плиты 6 в узле, схема которого изобра­ жена на рис. 3.25, б, производится реечно-шестеренным механизмом. В гидроцилиндре 1 создается давление рабочей жидкости, рейка 2 совершает поступательное движение и поворачивает на определенный угол шестерню 3, на которой закреплен один из рычагов шарнирно­ рычажного механизма 4. Усилие запирания создается главным гидро­ цилиндром 5. Расстояние между плитами 6 и 7 регулируется путем изменения длины звена коленно-рычажного механизма: для этого на рычаге, связанном с шестерней 3, установлена винтовая муфта. 42

На рис. 3.25, в представлен узел смыкания, в котором ускоренное перемещение подвижной плиты 4 при создании давления рабочей жидкости в гидроцилиндре 1 осуществляется посредством клинового шарнирно-рычажного механизма 2. Усилие запирания создается глав­ ным гидроцилиндром 3. Расстояние между плитами 4 и 5 регулируется путем изменения объема жидкости в гидроцилиндре 3. В следующем варианте конструкции узла смыкания форм (рис. 3.25, г) ускоренное перемещение подвижной плиты 3 производится шарнирно­ рычажным механизмом 2, приводимым в действие качающимся гидро­ цилиндром 5. Усилие запирания создается главным гидроцилиндром 1. Расстояние между подвижной и неподвижной плитами регулируется винтовой муфтой 4. Особенность устройства — конструктивное выпол­ нение звеньев шарнирно-рычажного механизма. В спрямленном состо­ янии благодаря зубьям на торцах рычагов значительно повышается жесткость стыка в период закрытия формы. Слева (позиция I) показан узел с раскрытой формой, справа (позиция 1Г) — с формой в сомкнутом состоянии. Гидромеханические устройства запирания широко применяются в машинах для литья под давлением различной мощности. Они обла­ дают следующими достоинствами: — усилие запирания по сравнению с усилием, развиваемым при­ водом, относительно велико; это позволяет гидросистеме работать на давлениях значительно меньших, чем в гидравлических устройствах запирания; — средняя скорость запирания выше, чем у других устройств; — уменьшение скорости сближения полуформ для безударного запирания не требует дополнительных устройств; — масса этих устройств меньше, чем масса гидравлических устройств; — им свойственны все положительные свойства гидропривода — бесступенчатое регулирование скорости, плавность движения ведо­ мого звена, простота и удобство управления. Наиболее распространенные кинематические схемы гидромехани­ ческих устройств запирания форм приведены на рис. 3.26. На схеме, представленной на рис. 3.26, а, подвижная плита 3 переме­ щается шарнирно-рычажным механизмом 2, приводимым в движение качающимся гидроцилиндром 5. При закрытой форме рычаги 2 рас­ полагаются горизонтально. Расстояние между подвижной 3 и непод­ вижной 4 плитами регулируется перемещением плиты 1 вдоль колонн путем регулирования положения гаек б, приводимых во вращение электроприводом. Подобные узлы применяются на машинах с усилием смыкания до 3000 кН. Схема узла смыкания, устанавливаемого на машинах с усилием смыкания до 500 кН, показана на рис 3.26, б. Подвижная плита 3 пере­ мещается шарнирно-рычажным механизмом 2, приводимым в дви­ жение качающимся гидроцилиндром 5. Гидроцилиндр удерживается 43

рычагами бив процессе работы перемещается по вертикали. Рассто­ яние между плитами 3 и 4 регулируется перемещением плиты 1 вдоль колонн гайками-шестернями 7.

Puc. 3.26. Схемы гидромеханических узлов смыкания форм

Следующая схема (рис. 3.26, в) рекомендуется для машин с усилием запирания до 1000 кН. В ней используется механизм с неподвижным гидроцилиндром. Подвижная плита 2 перемещается при работе шар­ нирно-рычажного механизма 7, приводимого в движение гидроци­ линдром 4. Промежуточное звено 5 связывает шток гидроцилиндра 4 с шарнирно-рычажным механизмом. Расстояние между плитами 2 и 3 регулируется винтовой муфтой, установленной на одном из рыча­ гов механизма 1. Конструкция узла смыкания, изображенная на рис. 3.26, г, имеет в кинематической цепи пару рейка — шестерня. Плита 4 перемещается гидроцилиндром 1, шток которого сообщает поступательное движение рейке 3, находящейся в зацеплении с шестерней 2. Поворачиваясь на определенный угол, последняя приводит в действие шарнирно­ рычажный механизм 6. Расстояние между плитами 4 и 5 регулируется перемещением плиты 7 вдоль колонн за счет изменения положения гаек. Конструкция используется на легких машинах с усилием смыка­ ния форм до 300 кН. Последующие три схемы (рис. 3.26, д, е, ж) рекомендуются для литьевых машин с усилием смыкания форм 1000, 1500 кН и более. В первой из этих конструкций (см. рис. 3.26, д) плита 2 перемеща­ ется гидроцилиндром 4, шток которого при движении проворачивает шатуны 5, 6 и связанный с ними рычажный механизм 1. Расстояние между плитами 2 и 3 регулируется винтовой муфтой, установленной на одном из рычагов механизма 1. Вторая конструкция (см. рис. 3.26, е) снабжена механизмом с параллельным соединением двух шарнирно­ рычажных устройств. Подвижная плита 5 перемещается от центрально 44

расположенного гидроцилиндра 1, шток которого проворачивает шатуны 4, связанные с шарнирно-рычажными механизмами 3. Рассто­ яние между плитами 5 и 6 регулируется перемещением плиты 7 вдоль колонн гайками-шестернями 2. Третья конструкция (см. рис. 3.26, ж) представляет собой комбинацию параллельно соединенных двух шар­ нирно-рычажных и клиновых механизмов. Подвижная плита 3 переме­ щается центрально расположенным гидроцилиндром 7, шток которого проворачивает шатуны 5, связанные с шарнирно-рычажными механиз­ мами 2. При запирании формы между подвижной 3 и неподвижной 4 плитами рычаги 2 образуют прямую линию, устанавливаясь враспор благодаря клиньям 1 и пятам, закрепленным на плите 6. В механических устройствах запирания форм используются коленно-рычажные механизмы, применяемые в гидромеханических системах. Кинематические схемы механических устройств изображены на рис. 3.27.

5 б Рис. 3.27. Схемы механических узлов смыкания форм На схеме (рис. 3.27, а) подвижная плита 2 перемещается шарнирно­ рычажным механизмом, приводимым в движение с помощью поворот­ ного сектора 5 и шатуна 4. Расстояние между плитами 2 иЗ регулиру­ ется винтовой муфтой, установленной на рычажной системе 1. Привод поворота сектора может осуществляться напрямую от электродвига­ теля (в электрических машинах) или от электродвигателя, например, через цилиндрический редуктор. Схема с применением спаренного шарнирно-рычажного механизма приведена на рис. 3.27, б. Плита 2 перемещается шарнирно-рычажным механизмом 1, приводимым в движение кривошипом 5, шатуном 4, рычагами 6 и 7. Расстояние между плитами 2 и 3 регулируется винто­ вой муфтой, смонтированной на рычажном механизме 1. Электрический или электромеханический привод 1 в схеме, приве­ денной на рис. 3.27, в, расположен сверху. Подвижная плита 3 переме­ щается шарнирно-рычажным механизмом 5, приводимым в движение шатуном 2. Расстояние между плитами 3 и4 регулируется перемеще­ нием плиты 6 вдоль колонн. Нужно иметь в виду, что приведенные выше схемы работы узлов смыкания форм различной конструкции далеко не исчерпывают все многообразие этих механизмов, используемых производителями литье­ 45

вых машин во всем мире. Однако рассмотренные схемы дают представ­ ление о наиболее распространенных в промышленности переработки пластмасс вариантах. Анализ машин, выпускаемых разными фирмами, показывает, что гидравлические устройства запирания прямого действия применяются в машинах различной мощности. В машинах большой мощности преи­ мущественно используют гидравлические двухступенчатые устройства запирания, в машинах средней мощности применение двухступенча­ тых гидравлических устройств не превышает 10—15 %. В машинах малой и средней мощностей преобладают гидромеханические и меха­ нические устройства смыкания. 3.4.2. Плиты

Плиты — наиболее нагруженные детали узлов смыкания форм машин для литья под давлением. Конструкция плит определяется систе­ мой запирания и компоновкой машины. В машинах с вертикальной компоновкой одна из неподвижных плит играет роль станины. В гидро­ механических и механических узлах смыкания форм плиты подразделя­ ются на заднюю неподвижную, переднюю неподвижную и подвижную. В гидравлических и двухступенчатых гидравлических устройствах запирания задняя неподвижная плита выполняется в виде гидроцилин­ дра с фланцем. Имеются конструкции, в которых в двухступенчатых узлах смыкания главный гидроцилиндр выполняется заодно с подвиж­ ной плитой. В этом случае конструкция задней неподвижной плиты зависит от принятого способа регулирования расстояния между под­ вижной и передней неподвижной плитами. Плиты машин для литья под давлением малой и (реже) средней мощности изготавливаются из листового проката. Конструкция плит зависит от количества колонн механизма запира­ ния. В машинах малой мощности обычно две колонны, средней и боль­ шой мощности — четыре колонны. На рис. 3.28 изображена выполненная из проката передняя непод­ вижная плита машины малой мощности, усилие запирания в которой воспринимается двумя колоннами, расположенными по диагонали с целью облегчения установки и демонтажа формы.

Рис. 3.28. Передняя неподвижная плита, выполненная из проката 46

C нерабочей стороны плиты выполнено конусное отверстие, пере­ ходящее в центральное. Оно открывает доступ к литниковой втулке формы и упрощает в случае необходимости извлечение оставшегося литника из литниковой втулки. На монтажной плоскости подвижной плиты (рис. 3.29) со стороны формы должны быть либо Т-образные пазы, либо резьбовые отверстия (см. рис. 3.28), расположенные в порядке, предусмотренном нацио­ нальным стандартом страны, в которой произведена данная машина. Толщина неподвижных плит у машин одной мощности, но раз­ ных производителей различна, но обычно она составляет около 25 % от ширины и высоты плиты. В качестве материала для изготовления плит и цилиндров машин средней и большой мощностей применяют стальное литье. Реже изго­ тавливают плиты этих машин сварными из листового проката. На подвижной плите устанавливается подвижная часть литьевой формы. Обычно ее толщина меньше, чем у неподвижной плиты. Мон­ тажная плоскость подвижной плиты, предназначенная для установки подвижной полуформы, должна иметь такие же средства монтажа формы, как и неподвижная плита. При этом в подвижной плите обычно имеется дополнительный ряд отверстий для пропускания через плиту толкателей. Размеры и расположение указанных отверстий также регламентируются национальными стандартами. На рис. 3.29 изображена литая подвижная плита гидравлического устройства запирания. Расточки под колонны и под выталкиватели выполнены в приливах. Окантовка плиты связана с центральной частью ребрами. Толщина, высота и расстояние между ребрами должны быть подобраны так, чтобы обеспечить требуемую прочность плиты и воз­ можно большую ее жесткость при наименьшей массе.

Рис. 3.29. Подвижная плита, выполненная из стального литья Подвижные плиты гидромеханических устройств запирания отлича­ ются от гидравлических наличием на нерабочей стороне шарниров для соединения с рычажной системой. Подвижная плита механизма смыкания форм чаще всего переме­ щается по направляющим колоннам. В этом случае устанавливаемые 47

в плитах втулки изготовляют из износостойких материалов, например из фосфористой бронзы. При движении плиты по направляющим салаз­ кам станины нижняя часть плиты должна быть выполнена с чугунными или бронзовыми башмаками. Направляющие салазки изготавливают из азотированной стали. По мере износа направляющих поверхностей их уровень регулируют прокладками и винтами. Крупные плиты 1 (массой в несколько сот килограммов) могут опираться на ролики 5, перемещающиеся по направляющим салазкам 4 станины (рис. 3.30). Такая конструкция исключает возможный прогиб колонн 3, стягиваю­ щих заднюю и переднюю 2 неподвижные плиты.

Рис. 3.30. Схема перемещения на роликах подвижной плиты по направляющим: 1 — подвижная плита; 2 — неподвижная плита; 3 — колонна; 4 — направляющие салазки; 5 — роликовая опора Параллельность плоскостей подвижной и неподвижной плит имеет огромное значение для снижения износа направляющих колонок формы и для обеспечения равномерной нагрузки колонн узла смыкания. Для машин малой и средней мощности отклонение плит от параллельно­ сти не должно превышать 0,25 мм/м по диагонали формы при нулевом усилии смыкания и 0,125 мм/м — при полном усилии смыкания. Для машин с усилием свыше 5000 кН допуск на отклонение от параллель­ ности должен составлять не более двух третей от указанных значений. Более сложны по конструкции задние неподвижные плиты кине­ матических устройств запирания. Они в первую очередь предназна­ чены для поддержки силовых приводов. Их конструкция определяется выбранным способом регулирования расстояния между подвижной и неподвижной плитами, т. е. примененной рычажной системой. Если расстояние между плитами регулируется изменением длины рычагов, то задняя неподвижная плита фиксируется относительно станины. Перемещение задней неподвижной плиты вдоль станины использу­ ется как наиболее распространенный способ регулирования расстояния между плитами для установки различных по высоте форм, и для этой цели неподвижная плита снабжается направляющими. Конструктивно 48

направляющие могут быть призматическими (типа ласточкина хвоста) либо в виде призматической шпонки, закрепленной на станине. При использовании рычажной системы с качающимся гидроцилин­ дром в неподвижной плите выполняются отверстия под пальцы шарни­ ров гидроцилиндра. Более простой является конструкция неподвижной плиты при использовании рычажной системы с дублирующими звеньями, так как в этом случае гидроцилиндр крепится к наружной поверхности плиты, а на внутренней должны быть предусмотрены шарниры для соединения со звеньями рычажной системы. В гидравлических и двухступенчатых гидравлических устройствах запирания задняя неподвижная плита выполняется заодно с гидроци­ линдром с опорой на фланец или на днище. Не все горизонтальные литьевые машины имеют заднюю плиту. В настоящее время имеется тенденция к исключению задней плиты при сохранении только двух. Помимо того что такая конструкция более ком­ пактна, она дешевле и обеспечивает большую жесткость узла смыкания. 3.4.3. Колонны

Колонны в машинах для литья под давлением служат для замыка­ ния усилий между неподвижными плитами устройств запирания и, как говорилось выше, могут являться направляющими, по которым переме­ щается подвижная плита с установленной на ней полуформой. Колонны могут также применяться в узлах пластикации и впрыска машин для литья под давлением. В этом случае в процессе впрыска они восприни­ мают усилие, возникающее между передней плитой, на которой уста­ новлен материальный цилиндр, и задней плитой с гидроцилиндром впрыска. Усилие, развиваемое узлом смыкания или впрыска, воспринима­ ется колоннами, поэтому станина машины не нагружается. В маши­ нах малой мощности часто применяют две колонны. Колонны могут быть расположены в горизонтальной или наклонной плоскости. Диаго­ нальное расположение колонн облегчает установку и демонтаж форм, обслуживание машины в процессе эксплуатации. В узлах смыкания с четырьмя колоннами расстояние между ними в горизонтальной плоскости предусматривается больше, чем в верти­ кальной, так как это облегчает монтаж и демонтаж форм. Конструкция колонн зависит от способа крепления их к плитам. Поверхность колонны, по которой перемещается подвижная плита, тщательно шлифуется с целью уменьшения трения и обеспечения точ­ ного направления плиты. Колонны обычно изготавливают в виде сплошных стержней из вяз­ ких углеродистых сталей, которые малочувствительны к концентрации напряжений и поэтому хорошо работают при пульсирующих нагрузках. Для повышения износостойкости часто выполняется поверхностная закалка рабочей поверхности колонны токами высокой частоты. В ряде 49

случаев поверхностную закалку заменяют хромированием. Большой долговечностью отличаются колонны, рабочая поверхность которых азотируется. В этом случае колонны изготавливают из соответствую­ щих марок стали. В процессе работы колонны под действием усилия запирания рас­ тягиваются, а под действием силы тяжести подвижных частей изгиба­ ются. Деформацию изгиба вызывают также неравномерная затяжка гаек колонн, деформация плит, погрешности изготовления. Колонны испытывают переменные нагрузки, и поэтому они должны иметь не только высокую прочность, но и выносливость. На колоннах пред­ усматриваются плавные переходы от одного сечения к другому, чтобы избежать концентрации напряжений. Диаметр колонны в значительной степени зависит от выбранного шага резьбы. При прочих равных условиях резьба с более крупным шагом вследствие большей высоты профиля заметнее ослабляет рабо­ чее сечение колонны, чем резьба с меньшим шагом. Резьба с крупным шагом по сравнению с резьбой с мелким шагом хуже работает при циклических нагрузках и в условиях вибраций. Гайки направляющих колонн изготавливаются в зависимости от назначения из стали, чугуна или бронзы. Наиболее распространен­ ным материалом является сталь. Бронзовые или чугунные гайки имеют по сравнению со сталью лучшие показатели по износостойкости. В устройствах запирания формы применяются разнообразные спо­ собы крепления колонн к плитам (рис. 3.31). Один из распространен­ ных способов предусматривает наличие двух гаек — 4 и 6, фиксирующих колонну 3 относительно плиты 5 (см. рис. 3.31, а). Подобное крепление используется при заделке колонн в заднюю неподвижную плиту узла смыкания машин малой мощности в случае, если расстояние между под­ вижной и неподвижной плитами регулируется вращением гаек 4 и 6. При вращении гаек плита 5 перемещается вдоль резьбовых частей колонн. В этих случаях на колоннах нарезается упорная резьба, наружный диа­ метр которой выполняется по ходовой посадке. Это обеспечивает доста­ точно точное перемещение подвижной плиты в процессе регулирования. Другой конец колонны закреплен в плите 2 при помощи промежу­ точной гайки-стакана 1. Применяется крепление колонн с помощью закладных полуколец (см. рис. 3.31, б). В плите 3 полукольца 1 и 2 утоплены в проточке. Это позво­ ляет обеспечить необходимую полезную площадь плиты для установки формы, сократив общие ее габариты. Противоположный конец колонны монтируется в плите 7 аналогично, но полукольца 4 и 5 устанавливаются снаружи и от выпадания фиксируются кольцом 6. При такой конструк­ ции можно использовать полукольца 4 и 5 в качестве компенсационных для достижения параллельности рабочих поверхностей плит. На рис. 3.31, в показано крепление колонн к плитам, на которые не устанавливаются формы, так как при значительном наружном диа­ метре разрезной гайки 1 уменьшается полезная площадь плиты. 50

Рис. 3.31. Схемы крепления колонн

При нескольких проточках на колоннах уменьшается их механиче­ ская прочность. C этой точки зрения с успехом используется конструк­ ция крепления колонн, показанная на рис. 3.31, г. Колонна фиксируется относительно плиты 1 хомутами 2 и 5. Гайка 3 фиксируется шпонкой 4. Колонны с буртом (см. рис. 3.31, д) применяются в узлах смыкания, развивающих усилия не более 500 кН. Часто конструкция машины предусматривает перемещение непод­ вижной плиты совместно с подвижной, что позволяет устанавливать формы разной толщины. В машинах малой мощности подобная регули­ ровка выполняется, например, с помощью двух гаек (см. рис. 3.31, а), перемещающих плиту 5 вдоль колонн. В машинах большой мощности гайки 7 выполняются в виде червячных или цилиндрических зубча­ тых колес, приводимых во вращение от централизованного привода (рис. 3.31, е). Предварительная затяжка гаек колонн требуется для сохранения плотности резьбового соединения гайка—колонна при открытии формы. Когда форма закрыта и сжата узлом смыкания, колонны нахо­ дятся в состоянии растяжения и гайка прижимается к плите. Когда форма открывается, то действующее в этот момент усилие сжимает колонны и отталкивает поверхность гайки от плиты. Величина раз­ виваемого усилия зависит от плотности контакта сопряженных дета­ лей колонн и от мощности узла смыкания. Обычные гидравлические 51

и гидромеханические узлы смыкания могут при размыкании развивать усилия, составляющие от 5 до 10 % от их номинального усилия смыка­ ния. Обычные рычажно-гидравлические узлы смыкания могут разви­ вать открывающие усилия, составляющие до 25 % от их номинального усилия смыкания. Таким образом, часто требуется значительное пред­ варительное нагружение для предохранения соединения колонна— плита от разъединения.

3.4.4. Узлы смыкания бесколонного типа В последние годы ряд европейских производителей стали оснащать литьевые машины узлами смыкания рамного типа. Так называемая С-рама имеет принцип действия, аналогичный действию обычной струбцины. Конструкция такой рамы близка также к конструкции рамы челюстного пресса. На каждой литьевой машине имеются два параллельно установленных элемента С-рамы. Подобные узлы смыка­ ния имеют, как правило, гидравлический привод. Для реализации нижнего диапазона усилий смыкания (до 2200 кН) эти элементы выполнены из толстолистовой стали, а для больших уси­ лий смыкания (до 6000 кН) — из науглероженного чугуна. Размеры С-элементов рассчитаны таким образом, чтобы площадь их несущего поперечного сечения была примерно в 10 раз больше, чем сумма попе­ речных сечений колонн у колонных узлов смыкания литьевых машин, развивающих аналогичное усилие. Это обеспечивает высокую жест­ кость системы и ее максимальную жесткость во время впрыска рас­ плава полимера в литьевую форму. Передняя неподвижная плита подобных узлов опирается на эле­ менты рамы и по сравнению с колонными конструкциями той же мощ­ ности, в которых она удерживается максимум четырьмя колоннами (четыре точки опоры), имеет гораздо большую площадь опоры. Это обстоятельство гарантирует существенно меньший прогиб передней неподвижной плиты при прочих равных условиях. Направляющие салазки подвижной плиты закрепляются на гори­ зонтальной части С-рамы и воспринимают как вес самой плиты, так и вес закрепленной на ней полуформы. В большинстве машин плиты по салазкам передвигаются на роликах, снабженных цилиндрическими подшипниками качения. Характерной конструктивной особенностью бесколонных узлов смыкания является наличие специального шарнира, устанавливаемого между плунжером главного цилиндра и подвижной плитой. Назначе­ ние этого шарнира — компенсация упругой деформации рамы в ходе цикла литья и обеспечение параллельности подвижной и неподвижной плит, а следовательно, и установленных на этих плитах полуформ. Этим шарниром подвижная крепежная плита как бы «подтягива­ ется» к неподвижной плите, если наблюдается некоторая деформация рамы. Параллельность плит точно устанавливается с помощью механи­ ческого упора. Возвратная пружина обеспечивает параллельность плит 52

при открытой литьевой форме. На каждом узле смыкания устанавлива­ ются по два подобных шарнира для большей надежности позициониро­ вания подвижной плиты и передачи к ней усилия от плунжера главного гидроцилиндра. Преимуществами бесколонных узлов смыкания являются: — беспрепятственный доступ рабочих органов роботов к литьевым формам; — увеличенная полезная площадь крепежных плит при одновремен­ ной свободе выбора конструкции литьевой формы; — сокращение времени, затрачиваемого на монтаж и демонтаж литьевой формы. Высокая точность перемещения подвижной плиты способствует более продолжительному сроку службы литьевой формы. Увеличению ресурса работы формы и бесколонного узла в целом способствуют также установленные на прочной бесколонной раме подшипники каче­ ния, по которым движется подвижная крепежная плита, что позволяет эксплуатировать даже особо тяжелые литьевые формы с малыми поте­ рями на трение и без опасности провисания при смыкании и раскры­ тии литьевой формы. Главным ограничивающим фактором применения бесколонных узлов смыкания в литьевых машинах с усилием более 6000 кН является значи­ тельное повышение при переходе через эту границу их металлоемкости (а следовательно, и стоимости) по сравнению с колонными аналогами. Другое ограничение возникает тогда, когда речь идет о литьевых изделиях с большой площадью проекции на плоскость разъема литье­ вой формы, что требует более высоких усилий смыкания, чем может обеспечить бесколонный узел смыкания, и его применение, несмотря на большую свободную площадь крепежных плит, становится невыгод­ ным по сравнению с использованием колонного узла.

3.5. Реактопластавтоматы Литье под давлением реактопластов обладает следующими преиму­ ществами перед альтернативным процессом прямого прессования: — отсутствие предварительных операций (таблетирования, нагрева таблеток, шнековой пластикации, дозирования пресс-порошка или таблеток и т. д.); — значительное сокращение трудоемкости механической доработки изделий или вообще исключение такой доработки; — возможность работы оборудования в полностью автоматическом цикле; — сокращение цикла производства изделий; — широкие технологические возможности при производстве изде­ лий сложной формы с различной толщиной стенок и изделий с арма­ турой; — экономия сырья; 53

— повышенное качество изделий; — сокращение производственных площадей. К недостаткам процесса литья под давлением реактопластов нужно отнести в первую очередь то, что исходный материал для литья под давлением реактопластов должен иметь равномерный гранулометри­ ческий состав. Для переработки литьевых реактопластов желательно использовать сырье в виде гранул с одинаковыми формой и разме­ рами (2—3 мм), которое удобно при транспортировке и дозировании, не образует сводов и зависаний в загрузочных бункерах реактопластавтоматов, способствует повышению производительности оборудования и улучшению условий труда. В то же время процесс гранулирования реактопластов связан с опре­ деленными технологическими трудностями, которые до настоящего времени могут преодолеть далеко не все производители сырья. Хотя спектр литьевых реактопластов достаточно широк, наиболь­ шее распространение в настоящее время получила переработка фено­ пластов и аминопластов. Стабильность процесса литья под давлением реактопластов в наибольшей степени обеспечивается при достаточной продолжительности (не менее 300 с) пребывания полимера в вязкоте­ кучем состоянии и содержании в нем влаги и летучих веществ в пре­ делах 2—4 %. Наибольшая производительность процесса достигается в случае, когда время отверждения связующего не превышает 60 с. Помимо внешнего источника тепла (системы обогрева материаль­ ного цилиндра) при пластикации материала, как известно, возникает и внутренний источник тепла в виде самого расплава полуфабриката, в котором в результате работы сил вязкого трения при вращении шнека механическая энергия необратимо переходит в тепловую. C уве­ личением давления пластикации увеличиваются напряжения сдвига в материале и соответственно количество выделяемого тепла. Поэ­ тому давление пластикации при наборе дозы должно быть невысоким (в среднем 5—7 МПа). Это предотвращает перегрев материала и его преждевременное отверждение в материальном цилиндре. Темпера­ турные режимы переработки реактопластов под давлением в среднем составляют: для пластикационного цилиндра по зонам — от 70 до 90 °C, для сопла — от 110 до 130 °C, для пресс-форм — от 150 до 180 °C. Для литья реактопластов под давлением применяются в основном реактопластавтоматы с самоочищающимися шнеками специальной конструкции, имеющими каналы для охлаждения проточной водой. Так же, как и при переработке термопластов, при вращении такого шнека пластицированный расплав полимера нагнетается в переднюю часть материального цилиндра. Под давлением поступающего расплава шнек отходит в заднее положение, определяющее дозу впрыскиваемого материала. Далее шнек начинает поступательное движение, перемеща­ ется в переднее положение и впрыскивает расплав в предварительно замкнутую и нагретую (в отличие от машин для переработки термо­ пластов) литьевую форму. 54

Для переработки реактопластов литьем под давлением применяются бескомпрессионные шнеки (степень сжатия к = 1), которые имеют постоянный шаг и глубину нарезки с целью исключения нежелатель­ ного перегрева материала. Наконечники шнеков имеют ножевые лопа­ сти для очистки материального цилиндра от остатков расплава матери­ ала (см. рис. 3.9). Однако существует опасность, что между ножевыми лопастями при работе наберется некоторый объем материала, который при впрыске не удалится. Поэтому используются также шнеки со спи­ ральными наконечниками. При их работе материал, находящийся на внутренней стенке сопла, отбрасывается назад к нарезанной части шнека (рис. 3.32).

Рис. 3.32. Схема спирального наконечника шнека

Используются сопла только открытого типа с диаметром выходного отверстия не менее 3 мм. Внутренняя поверхность сопла шлифуется и полируется, так как наличие хоть сколько-нибудь значительной шеро­ ховатости этой поверхности может привести к прилипанию и отвер­ ждению на ней реактопласта. Материальные цилиндры реактопластавтоматов обогреваются либо с помощью жидкостного обогрева (водой или маслом), либо электриче­ скими нагревателями сопротивления. Загрузочная зона материального цилиндра охлаждается водой при температуре 20—25 0C. Жидкостной обогрев является более мягким, чем электрический, и уменьшает опасность локального и общего перегрева термореактив­ ного материала, так как при электрическом обогреве может возникнуть повышение температуры на отдельных участках. Еще одним достоин­ ством жидкостного обогрева является возможность быстрого пониже­ ния температуры материального цилиндра до 20—25 0C в случае угрозы отверждения в нем перерабатываемого реактопласта. При электрообо­ греве осуществить резкое понижение температуры не всегда удается. Жидкостной обогрев позволяет быстрее выйти на требуемый темпе­ ратурный режим. Кроме того, при литье реактопластов необходим более резкий, чем для термопластов, перепад температуры при продвижении материала от одной зоны обогрева материального цилиндра к другой. При использовании электрообогрева для создания перепада температур между зонами приходится применять охлаждение. Для этого зоны элек­ трообогрева разделяют между собой водяной рубашкой. При использовании жидкостного обогрева машины оснащаются тер­ мостатами для поддержания необходимой температуры теплоносителя. Во избежание перегрева инжекционного сопла при контакте с нагретой до высокой температуры литьевой формой в теле сопла предусматривается кольцевая проточка, уменьшающая теплопередачу 55

от литьевой формы к материальному цилиндру. C той же целью при работе реактопластавтоматов шнек от горячего сопла отводится сразу же после окончания выдержки под давлением. Кроме того, момент начала стадии пластикации выбирается таким образом, чтобы подго­ товка очередной порции материала заканчивалась непосредственно перед началом следующего впрыска. Наибольшая опасность преждевременного отверждения материала всегда существует в передней части материального цилиндра, в кото­ ром формируется доза расплава полимера для следующего впрыска. Чтобы облегчить чистку шнека и цилиндра в этой опасной зоне, неко­ торые производители оборудования делают переднюю часть цилиндра съемной, снабжая ее самостоятельным обогревом. Реактопластавтоматы оснащаются приводом для вращения шнека, обе­ спечивающим собственную безопасность (предохранение от поломки) при случайном преждевременном отверждении полимера в материаль­ ном цилиндре. Механизмы смыкания литьевых форм реактопластавтоматов принци­ пиально не отличаются от подобных узлов машин, предназначенных для переработки термопластов. Но так как литьевые формы реактопластав­ томатов нагреваются, в плите литьевой формы со стороны выталкива­ ния необходимо устанавливать термоизолирующие пластины. Эти пла­ стины должны обладать достаточно большой прочностью и жесткостью.

З.б. Машины для микролитья Сравнительно молодая отрасль промышленности — микротехника обеспечила многочисленные научные и технические достижения последних лет. Особенно широкое применение она находит в меди­ цине, фармакологии, лабораторной диагностике, биотехнологии и т. д. Среди различных материалов, используемых в микротехнике, пре­ обладают полимерные материалы благодаря их высокой техноло­ гичности, а среди производственных технологий преимущественно используется метод литья под давлением и горячая штамповка пленок. При производстве миниатюрных изделий действуют особые законы: если при обычных технологиях изготовления изделий из пластмасс на одно изделие расходуется как минимум несколько гранул матери­ ала, то в микротехнике из одной гранулы можно изготовить, например, более 20 миниатюрных изделий. Один этот масштабный фактор уже определяет специфические тре­ бования к перерабатываемым материалам — например, они должны быть максимально гомогенными. Соответственно используемые литье­ вые машины и литьевые формы должны обладать особыми качествами и формироваться из узлов, разработанных и изготовленных с учетом специфики микромеханики при сохранении основных общих черт, при­ сущих оборудованию и макрооснастке. 56

В настоящее время микролитье становится все более распростра­ ненной технологией. Машины, предназначенные для литья микроде­ талей, имеют две возможные конструктивные схемы исполнения узла пластикации и впрыска. C одной стороны, ряд производителей стре­ мится довести традиционные конструкции литьевых машин до предела их технических возможностей при сохранении шнековой конструкции совмещенных узлов пластикации и впрыска. C другой стороны, если от изготавливаемых деталей требуются минимальная масса и высокая размерная точность, то прибегают к комбинации шнекового узла пла­ стикации и плунжерного узла впрыска. На первом месте среди требований к машинам для микролитья неиз­ менно стоят повышенная точность регулирования заданных значений параметров подготовки расплава полимера, а также точность и воспро­ изводимость объема дозы впрыска. Оптимальным является процесс, при котором расплав находится минимальное время в материальном цилиндре узла пластикации и для каждого впрыска используется све­ жая доза гомогенного расплава. Несмотря на то что речь идет о микродеталях, конструкции загрузоч­ ного бункера и узла пластикации должны обеспечивать возможность использования гранул стандартных размеров. Во избежание излишних потерь давления пути течения расплава полимера как в узле пластика­ ции, так и в литьевой форме должны быть возможно более короткими. Для изготовления микродеталей особенно необходимы высокая парал­ лельность подвижной и неподвижной плит узла смыкания форм и боль­ шая разрешающая способность системы измерения хода перемещений. Ряд фирм в последние годы приступил к серийному выпуску разно­ образных специализированных машин для производства микродета­ лей. Выпускаются машины с традиционным шнековым пластикатором (рис. 3.33, а). Для подобных термопластавтоматов характерны низ­ кие значения усилий смыкания, малый диаметр шнека (до 14 и даже до 12 мм) и меньшее отношение его длины к диаметру. Минимальное значение диаметра шнека лимитируется принятыми в промышленно ­ сти размерами гранул полимера.

Рис. 3.33. Схемы узлов пластикации и впрыска машин для микролитья 57

Для обеспечения высокой точности подготовки дозы впрыска массой от 0,5 до 1,0 г машины для микролитья должны обладать точно регули­ руемыми гидравлическими устройствами, клапанами и насосами, подо­ бранными в соответствии с требованиями работы в микрометровом диа­ пазоне. При этом большая размерная точность получается на машинах с полным электроприводом, однако эти машины отличаются более высо­ кой стоимостью вследствие значительной цены сервоприводов. Традиционная шнековая конструкция узлов пластикации и впры­ ска перестает удовлетворять требованиям к точности массовой дозы впрыска при ее значениях менее 0,2 г. Даже небольшие неточности (±0,1 мм) в положениях запирания обратного клапана или шнека диа­ метром 14 мм приводят к недопустимым погрешностям объема дозы впрыска. Кроме того, при небольшой длине хода шнека не достига­ ются высокие скорости впрыска расплава. В этом случае предпочтение отдается машинам с комбинированным узлом пластикации и впры­ ска, в котором механизм пластикации имеет шнековую конструкцию, а механизм впрыска — поршневую (рис. 3.33, б—г). В этом случае малый диаметр поршня и соответственно его более протяженный ход при впрыске расплава способствуют тому, что погрешности его позиционирования в гораздо меньшей степени ска­ зываются на точности и воспроизводимости даже минимального объ­ ема дозы впрыска. Для всех вариантов конструктивного исполнения шнекового узла пластикации характерно его угловое расположение по отношению к плунжерному узлу впрыска (см. рис. 3.33, б—г). Конструкции, представленные на рис. 3.33, а—в, не исключают образования в сопловой части узла впрыска так называемой «холодной пробки», масса которой может достигать 0,2 г и быть сопоставимой с массой дозы впрыска. Это обстоятельство не только отрицательно ска­ зывается на свойствах литьевых микродеталей, но и приводит к умень­ шению срока службы литьевой формы из-за регулярного механического воздействия на ее формообразующие поверхности переохлажденного и соответственно более вязкого расплава, что усугубляется в случае использования в составе полимера наполнителей абразивного типа. Указанных недостатков лишен узел пластикации и впрыска, в кото­ ром имеется дополнительный вертикально расположенный дозирую­ щий поршень (см. рис. 3.33, г), а впрыскивающий поршень способен перемещаться вплоть до сопловой части узла впрыска, при этом объем остаточной части дозы расплава почти в 20 раз меньше, чем в других вариантах (см. рис. 3.33, а—в). Для снятия электростатического заряда применяется специальная ионизирующая система. Съем и сбор микродеталей осуществляются в условиях чистого помещения. В некоторых случаях в рабочей зоне термопластавтомата используется ионизированный воздух под неболь­ шим избыточным давлением, чтобы предупредить попадание в эту зону частиц пыли. 58

Микролитье практически невозможно без использования специаль­ ных робототехнических и других автоматизированных периферийных устройств. Автоматизация литья микродеталей открывает широкие возможности для снижения производственных затрат и уровня дефект­ ности микро- и нанопродукции. От робототехнических устройств, предназначенных для работы с миниатюрными деталями, требуются не только соответствующие размеры, но и повышенные быстродей­ ствие и точность движений при съеме микродеталей и их укладывании на приемные лотки в заданном положении. Для съема микродеталей используются присоски или микрозахваты с универсальной или специ­ альной геометрией для удержания микродеталей, имеющих зачастую сложную форму. Пример одного из возможных вариантов устройств для удале­ ния микродеталей без повреждения из литьевой формы приведен на рис. 3.34. Удаление осуществляется с помощью вакуумных «захва­ тов», расположенных на подпружиненной пластине, центрируемой четырехгранными направляющими (см. рис. 3.34, а). Между пластиной и микродеталями имеется зазор около 0,05 мм. Пластина поджимается к форме (см. рис. 3.34, б), и выталкиватели удаляют из нее микроде­ тали, которые тут же подсасываются к «захватам» (см. рис. 3.34, в), которые затем вместе с пластиной отходят от формы (см. рис. 3.34, г). При этом рабочая «рука» робота-манипулятора может перемещаться со скоростью до 2 м/с и с точностью позиционирования до 0,01 мм.

Рис. 3.34. Схема последовательности съема микродеталей Удерживая микродетали в заданном положении, робот-манипулятор укладывает их в специальные лотки или поддоны, которые защищают микродетали от загрязнений и повреждений при транспортировании к месту хранения или дальнейшего монтажа. В последнем случае рас­ положение и ориентация микродеталей на лотках и поддонах соответ­ ствуют последующим операциям их монтажа.

3.7. Специализированные литьевые машины Еще десять — пятнадцать лет тому назад ведущие производители литьевого оборудования при определении номенклатуры выпускае­ мых машин основной упор делали на выпуск серий однотипных машин 59

универсального назначения (термопластавтоматов или реактопластавтоматов), в первую очередь отличавшихся друг от друга двумя основ­ ными показателями: усилием смыкания форм и максимальным объе­ мом впрыска. Естественно, что в зависимости от этих двух важнейших характеристик каждая из машин выпускаемой серии имела свои кон­ структивные особенности. В настоящее время в связи с резким увеличением количества тех­ нологий, реализуемых на литьевом оборудовании, появлением раз­ нообразнейшей робототехники, обслуживающей процесс литья, рас­ ширением ассортимента перерабатываемых полимерных материалов многие производители пересмотрели существовавшую многие годы концепцию производства литьевого оборудования. Наряду с серий­ ными машинами они начали в большом количестве выпускать сначала машины, специализированные для реализации конкретной технологии литья, а затем и предназначенные для выпуска одного конкретного изделия, причем на некоторых предприятиях-производителях литьевых машин мощности по производству серийных и специализированных машин в наши дни почти одинаковы. В связи с многократным ростом количества тары, производимой методом литьевого раздувного формования, выпускаются два вида спе­ циализированных машин. Первые предназначаются для производства литых заготовок — пре­ форм и учитывают как особенности переработки исходного полимера (чаще всего полиэтилентерефталата), так и необходимость использова­ ния инструмента с максимально возможным числом гнезд при мини­ мальной продолжительности цикла литья. На следующей стадии про­ изводства из литых заготовок методом раздува получают готовую тару, причем обе стадии производства могут быть разделены как во времени, так и по месту их реализации. Второй вид специализированных литьевых машин, предназначен­ ных для литьевого раздувного формования, объединяет обе стадии про­ цесса: изготовление заготовок и раздув готовых изделий (рис. 3.35). Такая машина состоит из узла пластикации и впрыска 1, ротора 5, обеспечивающего перемещение заготовки и готового изделия с пози­ ции на позицию, и, как минимум, двух узлов смыкания форм. Один из этих узлов 3 — более мощный, он обеспечивает смыкание литьевой формы 2, установленной на его двух подвижных (верхней и нижней) плитах. В отличие от стандартных машин обе плиты должны иметь небольшой ход, чтобы после отливки преформы и раскрытия формы обеспечить беспрепятственный поворот ротора с пуансоном 7, на кото­ ром была отлита и продолжает оставаться преформа. Ротор поворачива­ ется на 180°. Второй, менее мощный, узел смыкания 4 подводит к пуан­ сону с преформой половины раздувной формы б и смыкает их. Затем в преформу подается воздух на раздув, изделие оформляется, охлаж­ дается и после открытия формы вынимается из нее. Одновременно с операцией раздува происходит операция литья очередной преформы. 60

Ротор вновь поворачивается на 180°, и свободный от изделия пуансон снова попадает в литьевую форму. Естественно, что операции литья заготовки и раздува готового изделия строго совмещаются по времени.

Рис. 3.35. Схема машины для производства изделий методом литья с раздувом Для производства изделий из высоконаполненных материалов исполь­ зуются так называемые компаундирующие литьевые машины. При использовании стандартных машин производство таких изделий про­ исходит в две стадии. Сначала в ненаполненный полимерный материал на экструзионных или иных установках для смешения вводится нужное количество наполнителя, компаунд гранулируется и только после этого поступает в литьевую машину. Для повышения эффективности производ­ ства из композиционных материалов на основе дискретно-волокнистых наполнителей созданы машины (рис. 3.36), в которых двухшнековый экструдер 1, выполняющий роль смесителя-пластикатора, непосред­ ственно совмещен с поршневым узлом впрыска 2 литьевой машины. Это позволяет сделать процесс компаундирования и гомогенизации, протекающий в двухшнековой части узла пластикации и впрыска, непре­ рывным независимо от периодичности процессов набора дозы и впры­ ска. На двухшнековом смесителе-пластикаторе предусматриваются зона дегазации 4 и два загрузочных устройства: одно устройство 6 в начале шнеков для подачи полимера и наполнителя, а второе устройство 5 — для ввода наполнителя в уже расплавленный полимер. Между смесителем-пластикатором и узлом впрыска установлен клапан 3, приводимый в действие гидроцилиндром. Для производства литьем под давлением изделий с интегральной пеной используют как химические, так и физические порообразователи. При этом можно получать крупногабаритные изделия, отличающиеся малой усадкой, высокой точностью размеров и небольшой плотностью. Для изготовления деталей из вспененных термопластов выпускаются машины с узлами пластикации и впрыска, приспособленными к работе на малых давлениях. В то же время эти узлы должны обеспечивать высо­ кую скорость впрыска и точную дозировку расплава. Высокая скорость впрыска (около 500 мм/с) необходима для того, чтобы предотвратить преждевременное расширение газа в расплаве полимера. Кроме того, высокая скорость впрыска обеспечивает и точность дозировки, так 61

как за время, пока происходит впрыск, может измениться и плотность расплава. Необходимая скорость впрыска достигается на подобных машинах за счет установки на них высокопроизводительных насосов или аккумуляторов давления (подробнее об аккумуляторах давления см. в разделе 4.6.2).

Рис. 3.36. Схема узла пластикации и впрыска компаундирующей литьевой машины Литье вспененных термопластов осуществляется при пониженных давлениях впрыска, и конструкция узла смыкания форм учитывает эту особенность. Во-первых, площадь поверхности подвижной и передней неподвижной плит и соответственно устанавливаемых на них литьевых форм существенно больше, чем на обычных машинах. А во-вторых, уси­ лие, развиваемое узлом смыкания форм, может быть ниже. Для производства изделий методом инжекционно-газового литья специализированные машины не выпускаются. Обычные серийные машины доукомплектовываются системой газоочистки (рис. 3.37, а) и соплом специальной конструкции (рис. 3.37, б).

Рис. 3.37. Схема системы газоочистки (а) и специальная конструкция сопла (6) Система газоочистки состоит из двух контуров — газового и гидрав­ лического. В качестве переходных устройств между двумя средами 62

выступают поршневые накопители. Все регулировки производятся только со стороны гидравлического контура. Газовый контур из сооб­ ражений техники безопасности, как правило, заполняется азотом. Азот в контуре находится под давлением до 45 МПа, однако имеется опыт при­ менения и более высокого давления в газовом контуре. Азот подается из стандартного баллона 1 и предварительно сжимается в поршневом накопителе 10. Объем газа при выбираемом в зависимости от техноло­ гических нужд давлении может быть установлен в самых широких пре­ делах. Это дает возможность настроить систему газоочистки на любой размер отливаемого изделия в пределах возможностей данной машины. Предварительно сжатый газ через клапан пропорционального управле­ ния 7 скапливается и доводится до нужного давления во втором порш­ невом накопителе 6. Подготовка газа проводится во время набора дозы, а потому не влияет на время цикла литьевой машины. C помощью клапана пропорционального управления 5 посредствам регулировки давления жидкости, создаваемого насосом 9, регулируется давление газа. В систему также входят гидравлический ресивер 8, обратные кла­ паны 3, клапан пропорционального управления 4 и газовый редуктор давления 2. Пунктир на схеме, представленной на рис. 3.37, а, условно разделяет гидравлический и газовый контуры системы. Ввод газа начи­ нается при определенном положении шнека через специальный клапан и сопло, как это показано на рис. 3.37, б. При производстве изделий из некоторых полимеров, например из полиуретана, в качестве сырья используется не гранулированный полимер, а два жидких низкомолекулярных компонента, которые, смешиваясь в определенных пропорциях, в литьевой форме вступают в химическое взаимодействие друг с другом, образуя при этом твердое полимерное изделие. Из-за низкой вязкости реагентов давление впры­ ска обычно невелико даже при большой скорости впрыска. Поскольку скорость прохождения химической реакции высокая, цикл литья изде­ лий получается достаточно коротким. На рис. 3.38 изображена принципиальная схема узла подготовки реагентов и впрыска машины для литья изделий по описываемой тех­ нологии (для реакционного литья). Операция пластикации в данном процессе отсутствует. Узел снабжен двумя дозирующими цилиндрами 1 и 4 поршневого типа. Один из цилиндров обеспечивает подачу в сме­ сительную головку (на схеме не показана) реагента А, а другой — реа­ гента Б. Из смесительной головки материал поступает в узел впрыска 3, а оттуда — в литьевую форму 2. Используются узлы впрыска порш­ невого типа, выполненные в виде копильника с поршнем, имеющим гидравлический (как на рис. 3.38) или механический привод. Этот узел устанавливается непосредственно на выходе из смесительной головки или на определенном расстоянии от нее, он связан с выходом из сме­ сительной головки обогреваемым трубопроводом (рис. 3.39), соеди­ ненным с загрузочным патрубком 2. По мере набора порции впрыска поршень 4 копильника 1 отводится назад. После набора дозы подача 63

материала прекращается и материал в режиме постоянной скорости впрыска через сопло 3 подается в форму 5. Узел впрыска может быть выполнен как неподвижным (тогда форма подается к нему механизмом смыкания форм), так и подвижным.

Рис. 3.38. Принципиальная схема узла подготовки реагентов и впрыска машины для реакционного литья

Рис. 3.39. Схема узла впрыска: а — набор дозы; б — момент впрыска Один из возможных вариантов схемы смесительной головки изобра­ жен на рис. 3.40. Головка показана в момент подачи реагентов на сме­ шение. Она состоит из металлического корпуса с цилиндрической смесительной камерой 3 и инжекционными соплами 2, инжектора 4 и плунжера 1 w∖sv очистки смесительной камеры. Реагенты, попадая в головку со скоростью 100—200 м/с, подаются в смесительную камеру, где струи реагентов соударяются друг с другом и со стенками цилиндри­ ческой полости, образуя турбулентные потоки со множеством завихре­ ний, разбиваются на большое число взаимопроникающих слоев (страт) с развитой поверхностью контакта. Для реализации процесса инжекционного прессования могут использоваться обычные серийные машины при внесении в их про­ граммное обеспечение некоторых дополнений. Однако для этих целей разработаны и специальные машины, схема одной из которых приве­ дена на рис. 3.41. 64

Рис. 3.40. Схема смесительной головки

Рис. 3.41. Схема машины для инжекционного прессования

Механизм запирания такой машины состоит из подвижной плиты с пуансоном 5, промежуточной плиты 9 с закрепленным на ней гидро­ цилиндром смыкания 11 и гидроцилиндра дожатая 12, обеспечиваю­ щего создание необходимого усилия прессования. Шток 7 гидроцилин­ дра смыкания перемещает крестовину 6, которая имеет специальные пазы для рычагов (упоров) 8, предназначенных для передачи усилия 65

формования. Величину зазора между обеими половинами формы регу­ лируют гайкой 10. Материал предварительно подготавливают в шнековом пластикаторе 1, откуда он подается в инжекционный цилиндр 2. Инжекционный цилиндр снабжен специальной головкой 3, включающей сердечник 15 и седло 17. Сердечник имеет отверстия для соединения внутренней полости инжекционного цилиндра с литниковой втулкой 14. C одной стороны сердечник притерт к седлу, а с другой — имеет сменный нако­ нечник 13. Сердечник может перемещаться под действием двух гидроцилин­ дров 4. При впрыске материала в форму под действием инжекцион­ ного поршня 18 головка 3 прижимается к литниковой втулке 14, сер­ дечник 15 находится в крайнем верхнем положении. После окончания впрыска материала в незамкнутую форму сердечник 15 под действием цилиндров 4 опускается вниз. Наконечник 13 закрывает отверстие литниковой втулки 14, вытесняя остатки материала в головку цилин­ дра. При этом нижняя часть сердечника садится в седло 17, прекращая доступ материала из цилиндра в головку. Головка отрывается от литни­ ковой втулки, сжимая пружину 16. Формование материала в форме происходит под действием гидроци­ линдра дожатия 12, который через рычажную систему передает усилие, необходимое для формования изделия. В последние годы получило значительное развитие так называемое многокомпонентное литье. C его помощью можно получать много­ цветные изделия с четкими границами разных цветов; кроме того, отдельные элементы изделия при многокомпонентном литье могут быть выполнены из различных (но совместимых) полимерных мате­ риалов. Одним из примеров многокомпонентного литья может слу­ жить производство изделий, сердцевина которых выполнена из одного материала, а внешний слой — из другого (рис. 3.42). Иногда подоб­ ную технологию называют сэндвич-литъем. Для производства подоб­ ных изделий литьевая машина снабжается двумя узлами пластикации и впрыска, которые с помощью специальных переходников подсоеди­ няются к одному соплу, снабженному устройством для переключения потоков расплава полимеров, подаваемых из разных узлов впрыска. В приведенном на рис. 3.42 примере роль переключателя выполняет управляемый игольчатый клапан 1. На данной схеме материал из узла А впрыскивается в литьевую форму, образуя наружный слой изделия (см. рис. 3.42, а). Затем отводится вправо игольчатый клапан, и из узла Б производится впрыск материала, образующего сердцевину изделия (см. рис. 3.42, б). Затем игольчатый клапан снова переводится в край­ нее левое положение; в работу вновь подключается узел А, добавля­ ющий остатки расплава в форму, которые полностью обволакивают материал сердцевины изделия (см. рис. 3.42, в). Приведенная схема двухкомпонентного литья является далеко не единственной, однако характерной. Дело в том, что конструкция бб

литьевого оборудования, предназначаемого для многокомпонент­ ного литья, принципиально отличается от традиционного наличием нескольких (в настоящее время до семи) узлов пластикации и впрыска, а также особым устройством применяемых сопел.

Рис. 3.42. Схема двухкомпонентного литья Примеры вариантов расположения узлов пластикации и впрыска на машинах для двухкомпонентного литья приведены на рис. 3.43, а—г, а на машинах для трехкомпонентного литья — на рис. 3.44, а—в.

Рис. 3.43. Варианты расположения узлов пластикации и впрыска на машинах для двухкомпонентного литья 67

Рис. 3.44. Варианты расположения узлов пластикации и впрыска на машинах для трехкомпонентного литья

3.8. Многопозиционные литьевые машины Многопозиционные литьевые машины позволяют увеличить произ­ водительность единичного агрегата. По конструкции их можно разде­ лить на револьверные, роторно-револьверные и роторные. Револьверные машины имеют одну позицию пластикации и впры­ ска и несколько позиций смыкания форм, расположенных чаще всего по окружности поворотного стола. Поворотные столы этих машин имеют периодическое вращение (каждый раз стол поворачивается на определенный угол). Их выгодно использовать в том случае, если время пластикации дозы материала значительно меньше времени, затрачиваемого на охлаждение (или отверждение) готового изделия. В качестве примера на рис. 3.45 приведена схема десятипозицион­ ной револьверной литьевой машины с ротором, вращающимся в гори­ зонтальной плоскости. Подобные машины используются, как правило, для производства крупных толстостенных изделий. В позиции I осу­ ществляется замыкание формы и впрыск дозы материала, в позициях II—IX изделия охлаждаются в замкнутых формах, а в позиции X форма размыкается и из нее извлекается готовое изделие. Машина состоит из узла пластикации и впрыска 1 и ротора 2 с уста­ новленными на нем литьевыми формами. Ротор не испытывает напря­ жений при замыкании форм 3, так как усилия запирания полностью воспринимаются колоннами 4 в каждом прессовом механизме. Меха­ низмы замыкания формы имеют гидравлический привод без промежу­ точных механических звеньев. Машина оснащена устройствами, пре­ дохраняющими формы от повреждений в случае попадания твердых частиц в форму. 68

Рис. 3.45. Схема десятипозиционной револьверной литьевой машины с ротором, вращающимся в горизонтальной плоскости На машине обеспечены условия для быстрой и удобной замены форм. При необходимости можно не включать в работу одну или несколько форм; в этом случае они не заполняются материалом в пози­ ции впрыска. Гидравлический агрегат машины оснащен пневмогидравлическим аккумулятором, разгружающим масляные насосы при достижении заданного давления. Машина укомплектована термостатирующей уста­ новкой, обеспечивающей подачу воды для охлаждения формы, загру­ зочной зоны цилиндра, червяка и масла в гидравлическом агрегате, а также пультом управления и шкафами автоматики, которые не изо­ бражены на схеме. Иногда револьверные машины с ротором, вращающимся в гори­ зонтальной плоскости, могут иметь не один узел пластикации и впры­ ска, а два или три. На рис. 3.46 представлена схема ротора литьевой машины, предназначенной для литья изделий из вспененных термопла­ стов. На станине 1 установлен поворотный стол 2. Стол имеет вид прямоугольника, на каждой из сторон которого смонтировано по три узла смыкания форм 4. Так как при литье вспе­ 69

ненных материалов давление, развиваемое в формах 3, относительно невелико, то узлы смыкания имеют облегченную конструкцию и обе­ спечивают не плоскопараллельное движение полуформ, а смыкание книжного типа. Геометрия ротора и система расположения узлов смы­ кания форм диктует необходимость установки трех узлов пластикации и впрыска.

Рис. 3.46. Схема ротора литьевой машины, предназначенной для литья изделий из вспененных термопластов Для производства мелких изделий чаще используются револьвер­ ные литьевые машины с ротором, вращающимся в вертикальной пло­ скости. Такие машины по своей компоновке находятся ближе всего к традиционным горизонтальным литьевым машинам, однако вместо классического однопозиционного узла смыкания форм на них устанав­ ливается ротор, каждая позиция смыкания форм на котором оснащена собственным приводом для кинематических перемещений подвижной плиты. Схема ротора такой машины приведена на рис. 3.47. 70

Рис. 3.47. Схема ротора револьверной литьевой машины, вращающегося в вертикальной плоскости Вращающийся ротор насажен на вал и приводится во вращение специальным механизмом поворота. Фиксация ротора в неподвижном положении производится механически. Усилие запирания создается гидравлическим цилиндром. Для удаления литника с изделия предус­ мотрен специальный механизм. Вал 7 ротора закреплен в плитах 6 и 10 прессовой части машины. Ротор состоит из трех дисков и восьми гидроцилиндров смыкания (для восьмипозиционной машины). Гидроцилиндры смыкания помещаются между дисками. На штоках гидроцилиндров установлены плиты 11 для крепления пуансонов форм. Матрицы форм закрепляются на диске 8. Во внутреннюю полость вала ротора подводится масло по централь­ ному каналу а вала (см. рис. 3.47, вид А—А). Через кольцевые проточки в и радиальные отверстия б масло поступает в поршневые полости гидроцилиндра смыкания. Из обратной полости гидроцилиндра масло сливается по проточ­ кам е и кольцевой канавке ж через вал ротора в сливную магистраль 71

(см. рис. 3.47, сечение Б—Б). Гидроцилиндры смыкают форму в пози­ циях от I до VI и в позиции VIIL В позиции VII напорная магистраль гидросистемы через кольцевую проточку г и радиальный канал ∂ свя­ зана со штоковой полостью седьмого гидроцилиндра. В этой позиции форма размыкается. Вода для охлаждения формы подается к матрицам и пуансонам по каналам в дисках через коллектор 9. Сливается вода через тот же коллектор. Барабан ротора может перемещаться в осевом направлении на 1—3 мм при подводе литниковой втулки формы к соплу и замыка­ нии формы с заданным усилием. Перемещение ротора и создание уси­ лия запирания обеспечивается гидроцилиндром запирания 4. Гидро­ цилиндр крепится на плите 6. Плунжер 5 гидроцилиндра совершает небольшой ход и передает усилие через упорную шайбу 2 на шток 1 гидроцилиндра смыкания. После снятия усилия запирания плунжер возвращается в исходное положение пружинами 3. Существуют конструкции многопозиционных машин (рис. 3.48), у которых позиции смыкания форм выстроены в линию (на схеме — позиции с I по V), а единственный узел пластикации и впрыска 1 переме­ щается вдоль них по направляющим 2, останавливается около каждого узла смыкания и осуществляет впрыск дозы материала в форму. Такую многопозиционную машину некорректно называть револьверной, однако она отличается от револьверных машин только схемой размеще­ ния узлов смыкания форм и подвижным узлом пластикации и впрыска.

Puc. 3.48. Схема пятипозиционной литьевой машины

с подвижным узлом пластикации и впрыска

Роторные машины содержат одинаковое число позиций впрыска и смыкания форм. Обычно эти машины оборудованы непрерывно вра­ щающимся ротором или столом с формами. Роторно-револьверные машины имеют число позиций впрыска меньше числа позиций смыкания. Различие в соотношении числа позиций впрыска и смыкания приводит к тому, что роторы этих машин имеют периодическое вращение. Вначале эти машины применяли в основном для литья толстостен­ ных изделий с длительным временем охлаждения в форме. Примене­ 72

ние многопозиционного ротора с несколькими формами позволило существенно повысить производительность машины. Роторно-револьверные машины в ряде случаев используют и для многокомпонентного литья, например при отливке двух- или трехцвет­ ных изделий. Для этой цели такие машины оснащают соответственно двумя или тремя шнековыми узлами пластикации и впрыска, которые последовательно подают материал разных цветов в каждую форму.

3.9. Выбор литьевых машин Выбор литьевого оборудования проводится по трем основным кри­ териям: максимальный объем впрыска, пластикационная производи­ тельность и усилие смыкания форм. Однако перед соответствующим расчетом необходимо решить ряд более общих вопросов: — установить, требует ли материал, из которого будет произво­ диться изделие, каких-либо конструктивных особенностей литьевой машины (конструкции шнека, сопла, узла смыкания форм и т. п.); — определить, есть ли необходимость в применении специализиро­ ванной машины (для многоцветного литья, ротационной, с дегазацией расплава и т. д.); — в зависимости от характера изделия выбрать компоновку машины (горизонтальную, вертикальную или угловую). Только затем приступают к выбору конкретной машины. Сначала из условия наименьшей себестоимости определяют возможную гнездность формы, в которую будут отливаться изделия (этот расчет носит предварительный характер; окончательно гнездность устанавливается в соответствии со многими параметрами выбранной машины): n = √C1N∕(0,45C2), где C1 — себестоимость одного цикла формования изделия; N — число деталей на годовую программу; C2 — себестоимость формы на одно гнездо. Значения C1 и C2 принимают по нормативам для условий конкрет­ ного производства. Далее вычисляют объем отливки Q0 при оптимальной гнездности:

Pi

где Qn — номинальный объем впрыска; эта величина принимается по паспорту машины либо по данным каталогов или проспектов фирм — изготовителей оборудования; Qli — объем одного изделия (без учета арматуры); k1 — коэффициент, учитывающий соотношение объемов изделий и литниковой системы (для горячеканальных систем всегда принимается k1 = 1); β1 — коэффициент использования машины 73

(для аморфных полимеров β1 = 0,7 ÷ 0,8, а для кристаллических поли­ меров β1 = 0,6 *0,7). Ниже приведена зависимость коэффициента fc1 от объема изделия Q11:

Qh, До 0,5 0,5—2 2—10 10—20 20—30 30—50 50—250 250—500 >500 CM3

fcl

1,5

1,3

1,2

1,1

1,05

1,03

1,02

1,01

1,005

Затем проверяется пластикационная производительность литьевой машины: Λ0⅛≤41β2, ^ОХЛ

где An — номинальная (по полистиролу) пластикационная произво­ дительность; β2 — коэффициент, учитывающий отношение пластикационной производительности по данному материалу к ее значению по полистиролу; toxjl — время охлаждения (при литье термопластов C0 = t0TB) или время отверждения (при переработке реактопластов t0 = tms) изделия; G11 — масса одного изделия (без учета арматуры). Ниже приведены значения коэффициента для различных термопла­ стов: Термопласт

₽2

Полиэтилен низкой плотности

0,88

Полиэтилен высокой плотности

0,75

Полиметилметакрилат

0,65

Полиамид

0,625

Поликарбонат

0,4

Для определения времени охлаждения необходимо мысленно схема­ тизировать форму изделия и представить все изделие или его отдельные элементы в виде пластины, цилиндра, шара или кольца. Если изделие состоит из нескольких элементов, то время охлаждения рассчитывается для каждого из них, а за время охлаждения всего изделия принимается наибольший результат из полученных по ниже приведенным формулам. Для изделия типа «пластина», у которого δ c > где Kb — коэффициент, учитывающий степень отверждения мате­ риала в канале формы (поскольку вязкость материала очень высока, то выдержку можно прервать при достижении степени отвержде­ ния 50—60%, поэтому Kb ≈ 0,5); tB π и tH π время выдержки на отвер­ ждение и время нагревания соответственно (определяются из экспе­ римента на пластометре Канавца); Tn — температура измерительной камеры пластометра Канавца; Tb — температура материала после впрыска и сжатия; β — постоянная, для различных марок литьевых реактопластов; β = (0,02 ÷ 0,03) c~1;

tlB.Π — tlHJI +' lj Rββ^OTB ° >

где tH π — время нагревания в пластометре до температуры отвержде­ ния Totb; В — постоянная, определяемая из технической характери­ стики пластометра. 75

Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Значения эмпирических коэффициентов, используемых при расчете времени нагревания в пластометре

^НЛР C

β, 1с

T oC

01-040-02

19

0,032

К-17-2

19

03-010-02

Марка прессматериала

Время выдержки на отверждение, /вп, с

по ГОСТ 15882— 70

по данным Канавца при напряжении 6 МПа

170

130

140

0,03

170

90

160

19

0,03

170

80

130—180

Э1-340-02

19

0,02

170

160

720

Cπ2-342-02

19

0,02

170

150

—

СпЗ-342-02

19

0,02

170

160

—

Э2-330-02

19

0,025

170

140

340

Аминопласт

10

0,028

140

130

160

К-79-79

100

0,032

140

210

—

АГ-4

19

0,035

170

125

—

Последним проверяем усилие смыкания формы:

P0=qFnk2k3≤Pn, где Pn — номинальное усилие смыкания; F — площадь проекции одного изделия на плоскость разъема формы; к2 = 1,1 — учитывает увеличение площади проекции изделий на плоскость разъема формы; к3 = 1,11 ÷ 1,25 — учитывает КПД системы смыкания формы; q — дав­ ление массы в оформляющем гнезде. Для полистирола в среднем q = 32 МПа; для других полимеров q может быть рассчитано по формуле 9 = Рф

^→0,045K + 0,72 К

где Рф — давление в форме;

κ

Z 6170?

(здесь I — длина формы; П — периметр поперечного сечения формы). Величина гидравлического сопротивления формы pψ определяется из гидравлического расчета. 76

Контрольные вопросы и задания 1. Опишите принцип действия литьевой машины. Из каких основных узлов она состоит? 2. Изложите принцип действия шнекового узла пластикации и впрыска. 3. Каковы основные функции узла смыкания форм? 4. Приведите классификацию литьевых машин. 5. Назовите основные требования, предъявляемые к материальным цилин­ драм узлов пластикации и впрыска. 6. Какие виды шнеков используются в узлах пластикации и впрыска для различных материалов? 7. В каких случаях используются сопла материальных цилиндров открытого, а в каких — закрытого типов? Приведите пример конструкции сопла закрытого типа. 8. Какие виды загрузочных бункеров используются в литьевых машинах? 9. Из каких важнейших элементов состоят узлы смыкания форм? 10. Приведите пример схемы гидравлического узла смыкания прямого дей­ ствия. Охарактеризуйте его работу. 11. Приведите пример схемы двухступенчатого механизма смыкания форм с гидравлическими цилиндрами, осуществляющими кинематические переме­ щения подвижной плиты. Сравните его работу с работой гидравлического узла смыкания прямого действия. 12. Приведите пример схемы гидравлического двухступенчатого узла смыка­ ния, в котором для ускоренного перемещения подвижной плиты используется механическое или гидромеханическое устройство. Расскажите о его работе. 13. Приведите пример схемы гидромеханического узла смыкания. Сравните его работу с работой какого-либо гидравлического узла. 14. Приведите пример схемы механического узла смыкания. Сравните его работу с работой гидромеханического узла. 15. В чем состоят особенности конструкций подвижных и неподвижных плит узлов смыкания форм? 16. Каковы принципиальные различия между литьевыми машинами для литья термопластов и реактопластов? 17. Каковы конструктивные особенности машин для микролитья? 18. Какие специализированные и многопозиционные литьевые машины вы знаете? Каковы их конструктивные особенности? 19. Расскажите о работе литьевой машины револьверного типа. 20. Как выбрать литьевую машину для производства конкретного заданного изделия?

Глава 4 ПРЕССОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 4.1. Методы прессования Первым методом промышленного производства изделий из пласт­ масс было прессование, а первым оборудованием — прессы. Прессование — это воздействие на тот или иной материал давле­ нием с целью придания ему требуемой формы. Характерной чертой этого процесса, в отличие, например, от ковки металла или его штам­ повки, являются относительно низкие рабочие скорости движения рабочего инструмента. В зависимости от технологической задачи прессование может про­ изводиться при комнатной температуре (холодное прессование), при повышенной температуре (прессование с нагревом, или горячее прес­ сование) и при нагреве с последующим охлаждением. В промышленности переработки пластмасс холодное прессова­ ние применяется, например, при таблетировании пресс-материалов и в технологии изготовления деталей методом спекания; прессование с нагревом используется при производстве изделий из термореактив­ ных материалов, а прессование с нагревом и последующим охлажде­ нием при получении изделий из термопластов. Процесс прессования начинается с перераспределения частиц мате­ риала и их более плотной упаковки. По мере увеличения давления прес­ сования частицы начинают деформироваться. Наибольшая деформа­ ция частиц происходит в местах их контакта. Дальнейшее увеличение давления чаще всего приводит к разрушению первоначальных частиц. В зависимости от свойств перерабатываемого материала процесс раз­ рушения протекает с преобладанием либо пластической деформации, либо хрупкого разрушения. Изделия, полученные холодным прессованием, не имеют гладкой поверхности и блеска в отличие от изделий, прессованных в горячем состоянии. Даже применение высоких давлений, необходимых для ком­ пенсации отсутствия пластической деформации у материалов, не обе­ спечивает точного оформления сложных прессованных конструкций. Поэтому методом холодного прессования изготавливают изделия, для которых внешний вид не имеет большого значения. При холодном прессовании прочность готового изделия в конечном итоге определяется давлением прессования и свойствами самого мате­ 78

риала; при очень высоких давлениях прочность прессованного изделия приближается к прочности монолитного (компактного) изделия. Прочность и плотность полимерных изделий, полученных прессова­ нием с нагревом, зависят от свойств наполнителя и связующего. В дан­ ном случае давление используется лишь для обеспечения заполнения формующего инструмента (пресс-формы) высоковязким расплавом термореактивного материала. Прессование с нагревом при производ­ стве изделий из реактопластов сопровождается необратимым хими­ ческим процессом сшивания макромолекул и переводом материала в неплавкое и нерастворимое состояние. Прессование с нагревом и последующим охлаждением позволяет перевести термопластичный полимер в вязкотекучее состояние, под давлением заполнить им формующий инструмент, а затем, охлаждая пресс-форму, перевести полимер в твердое состояние. Сразу нужно ого­ вориться, что переработка термопластов методом прессования эконо­ мически невыгодна и применяется достаточно редко. Прессование реактопластов осуществляется тремя возможными методами: — прямое, или компрессионное; — литьевое, или трансферное; — профильное. Кроме того, как отдельный метод можно выделить производство с помощью прессового оборудования различных листовых материалов. Для прямого и литьевого прессования характерна циклическая повторяемость отдельных операций, необходимых для изготовле­ ния каждого последующего изделия. При этом должно соблюдаться постоянство технологических параметров, таких, как давление прес­ сования, температура, скорость движения плит пресса, продолжитель­ ность каждой операции. Оба процесса имеют периодический характер и с их помощью производится только штучная продукция. При профильном прессовании получаются изделия постоянного сечения: ленты, прутки, трубы, различные другие профили. Профиль­ ное прессование является непрерывным процессом. Длина изделий зависит от требований заказчика, условий их эксплуатации и транс­ портировки. Прямое прессование начинается с загрузки материала в прессформу, которая после этого начинает смыкаться, в прессуемом матери­ але постепенно нарастает давление (рис. 4.1). Полное смыкание прессформы происходит в момент окончательного оформления изделия. При переработке реактопластов форма всегда предварительно нагрета. При формовании большинства изделий нагрет предварительно и прессматериал (либо в установках ТВЧ предварительно нагреты таблетки, либо материал подается из шнекового пластикатора). При получении тонкостенных изделий небольшой массы пресс-порошок загружается в пресс-форму при температуре окружающего воздуха. 79

Рис. 4.1. Схема прямого прессования: а — заполнение формы пресс-материалом; б — прессование; в — съем изделия; I — пуансон; 2 — пресс-материал; 3 — матрица; 4 — выталкиватель; 5 — изделие

В зависимости от природы и свойств перерабатываемого материала возникает необходимость освободить оформляющую полость прессформы от выделяющихся из расплавленного материала паров и газов. C этой целью пресс-форма размыкается на небольшую высоту, доста­ точную для выхода газов, и снова смыкается. При прессовании быстроотверждающихся материалов пресс-форма находится в разомкнутом состоянии 3—5 с, а при медленно отверждающихся — до 10 с. Подоб­ ная операция называется подпрессовкой. Подпрессовки могут повто­ ряться в течение цикла прессования несколько раз. На рис. 4.2 приведены различные варианты прессования с подпрес­ совками и без них. Режим без подпрессовок (см. рис. 4.2, а) применя­ ется при изготовлении небольших изделий с металлической арматурой или знаками. Подпрессовки без паузы см. (рис. 4.2, б) используются при прессовании больших изделий без арматуры и знаков. Вариант подпрес­ совки после паузы (см. рис. 4.2, в) чаще всего реализуется при производ­ стве крупногабаритных изделий. Пауза перед подпрессовками обеспечи­ вает прогрев материала, достаточный для возможно полного выделения паров и газов. Подпрессовка после паузы с выстоем в раскрытом состо­ янии (см. рис. 4.2, г) применяется для больших деталей с арматурой. Режим с подогревом материала в пресс-форме (см. рис. 4.2, д) реализу­ ется для прессования материалов с низкой текучестью. Литьевое прессование отличается от прямого тем, что перераба­ тываемый материал загружается в отдельную обогреваемую инжекци­ онную камеру. Переведенный в вязкотекучее состояние материал под действием пуансона впрыскивается из инжекционной камеры через литниковые каналы в замкнутую пресс-форму. В процессе течения за счет выделения диссипативного тепла материал дополнительно про­ гревается. Отверждение материала происходит в оформляющей поло­ сти пресс-формы. 80

Рис. 4.2. Диаграммы различных режимов прямого прессования реактопластов: а — без подпрессовок; б — подпрессовка без паузы; в — подпрессовка после паузы; г — подпрессовка после паузы с выстоем в раскрытом состоянии; ∂ — режим подогрева материала в пресс-форме;

1 — ход на низком давлении; 2 — ход на высоком давлении; 3 — пауза перед под прессовкой; 4 — подпрессовка; 5 — выдержка под давлением; 6 — разъем пресса; h — высота раскрытия пресс-формы при подпрессовке

Способ литьевого прессования имеет две разновидности. Особенности плунжерного литьевого прессования показаны на рис. 4.3. Этот метод чаще применяется на прессах нижнего давле­ ния или для привода поршня (плунжера) 3 используется гидроцилиндр выталкивания. Вариант литьевого прессования на прессе с верхним гидроцилин­ дром (верхней загрузочной камерой) показан на рис. 4.4. Так как при литьевом прессовании сомкнутая пресс-форма запол­ няется материалом с относительно небольшой скоростью, то давление в разных частях формы распределяется равномерно, что исключает деформирование или порчу знаков и арматуры. Этим способом можно получать сложные изделия с разной толщиной стенок, глубокими отверстиями и сложной и тонкой арматурой. 81

1

Рис. 4.3. Схема плунжерного литьевого прессования: а — загрузка сырья в инжекционную камеру и смыкание формы; б — подача материала в оформляющую полость формы; в — размыкание формы и выталкивание изделия; 1 — пуансон; 2 — пресс-материал; 3 — поршень; 4 — матрица; 5 — оформляющая полость; 6 — литниковые каналы; 7 — литник; 8 — изделие

Рис. 4.4. Схема литьевого прессования с верхним гцдроцилицдром (слева от оси — до смыкания формы, справа — после смыкания): 1 — пресс-материал; 2 — пуансон; 3 — литниковый канал; 4 — изделие При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессов­ ках, так как пары и газы выходят из расплавленного материала через специальные вентиляционные каналы. При литьевом прессовании с горизонтальным разъемом формы на стандартных гидравлических прессах, предназначенных для пере­ работки пластмасс, можно для литья использовать выталкиваю­ щий цилиндр. Но так как усилие этого цилиндра составляет всего лишь 10—20 % от усилия главного цилиндра, то не удается полностью использовать энергетические возможности пресса. Попытки осуще­ ствить и смыкание формы, и впрыск от главного рабочего цилиндра пресса сталкиваются с необходимостью обеспечивать разъем формы минимум по трем плоскостям, что, во-первых, существенно удорожает формующий инструмент, а во-вторых, делает его неудобным в эксплу­ атации. Непрерывное профильное прессование (поршневая экструзия) — метод получения изделий практически неограниченной длины путем продавливания материала через пресс-форму с открытыми входным 82

и выходным отверстиями. Этим методом могут перерабатываться как термопластичные, так и термореактивные материалы, однако при переработке термопластов предпочтение в подавляющем большинстве случаев отдается шнековым экструдерам. Профильное прессование производится, как правило, на специаль­ ных горизонтальных гидравлических прессах. Принципиальная схема непрерывного профильного прессования приведена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема непрерывного профильного прессования: 1 — инжекционный цилиндр; 2 — плунжер; 3 — мундштук; 4 — система обогрева; 5 — торпеда

Прессование листовых материалов (слоистых пластиков, дре­ весно-стружечных и древесно-волокнистых плит, сверхтолстых листов из термопластов и т. д.) осуществляется на специализированных этаж­ ных, короткотактных или ленточных прессах. Все эти прессы, как пра­ вило, снабжены рядом вспомогательных механизмов, обеспечиваю­ щих их бесперебойное питание и отбор готовой продукции. Подобные прессы не нуждаются в пресс-формах, последние заменяются в этажных и короткотактных прессах так называемыми пресс-листами, а в прессах ленточного типа — бесконечными металлическими лентами. В связи с отсутствием пресс-форм нагрев материала происходит за счет тепла, подводимого непосредственно к рабочим плитам пресса (у этажных и короткотактных прессов) или к специальным нагрева­ тельным плитам (в прессах ленточного типа).

4.2. Классификация прессов Пресс обеспечивает создание статического воздействия, служащего для обработки тех или иных материалов давлением. Прессы для производства изделий из пластмасс должны удовлетво­ рять следующим требованиям: 1) холостой ход пресса (т. е. ход пресса на смыкание и размыкание) должен быть быстрым, для того чтобы длительность цикла прессова­ ния была небольшой, а пресс — производительным. Это важно также и из соображений технологии: если плита пресса опускается медленно, то отверждение пресс-материала может начаться и пройти еще до пол­ ного смыкания полуформ в такой степени, что изделие не сможет каче­ ственно оформиться; 83

2) замедление хода и создание рабочего усилия должны быть воз­ можны в как можно более широком диапазоне длины хода подвижной плиты; это необходимо по следующим причинам: — надо замедлять ход пресса при смыкании пресс-формы, иначе порошкообразный пресс-материал может частично выбрасываться из матрицы быстро движущимся пуансоном; — надо замедлять ход пресса при смыкании во избежание ударов полуформ друг о друга; кроме того, возможны аварийные ситуации, если в результате случайного смещения подвижной плиты пресса пуан­ сон потеряет соосность с матрицей; — надо иметь возможность создания рабочего усилия в любой точке перемещения подвижной плиты, так как высота пресс-форм в зависи­ мости от размера изделий бывает различной; 3) остановка и обратный ход подвижной плиты пресса должны быть возможны в любой точке ее перемещения. Это необходимо при мон­ таже пресс-формы, для подпрессовок, при загрузке пресс-материалов в несколько приемов, при авариях и несчастных случаях. Существует несколько классификационных признаков промышлен­ ных прессов, основным из которых является тип привода. По этому признаку все прессы подразделяются на механические, гидромехани­ ческие и гидравлические. Механические прессы (рис. 4.6) целесообразно использовать при про­ изводстве мелких изделий при коротких выдержках, больших скоростях и небольших усилиях прессования. При передаче больших усилий рабо­ чие органы механических прессов становятся излишне громоздкими. В механических прессах могут быть использованы винтовые, коленнорычажные, эксцентриковые, ротационные и другие механизмы. В про­ мышленности переработки пластмасс прессы с механическим приводом используются в основном для таблетирования (см. раздел 1.3).

Рис. 4.6. Схемы механических прессов: а — винтового; б — коленно-рычажного 84

Гидромеханические прессы позволяют за счет использования рычажного механизма получить в начале рабочего хода большую ско­ рость и маленькое усилие на рабочей плите, а в конце рабочего хода — маленькую скорость при большом усилии. Подобное распределение скоростей и усилий прессования позволяет при постоянном расходе рабочей жидкости одного давления и простом управлении обеспечить высокую производительность и экономичность пресса. Гидромеханиче­ ские прессы сложнее и дороже механических. В промышленности пере­ работки пластмасс они встречаются достаточно редко. Правда, гидро­ механические узлы смыкания форм широко используются в литьевых машинах. Поэтому более подробно подобные механизмы описаны в главе 3 данного учебного пособия. Гидравлические прессы имеют ряд преимуществ по сравнению с механическими и гидромеханическими. Они дают возможность уста­ навливать и в широких пределах регулировать усилие прессования, скорость рабочего и холостого ходов, легко регулировать продолжи­ тельность выдержки под давлением. В этих прессах усилие прессования не зависит от хода подвижной плиты. В настоящее время гидравлические прессы являются наиболее распространенным видом прессового обору­ дования, используемого в промышленности переработки пластмасс. Работа гидравлического пресса основана на законе Паскаля (давле­ ние, действующее на жидкость, передается ею по всем направлениям равномерно). На рис. 4.7 показана схема, поясняющая принцип действия гидравлического пресса (для простоты будем считать, что на прессе уста­ новлен насос плунжерного типа): два сообщающихся сосуда — цилиндр пресса и насос соединены трубопроводом. Сила действующая на плун­ жер насоса диаметром d, создает в гидравлической системе давление

p = 4F1∕(πd2).

Рис. 4.7. Принцип действия гидравлического пресса

Давление передается во все стороны равномерно, и усилие F2, дей­ ствующее на плунжер пресса диаметром D, равно: „ πD2 F2 =----- Р, или 2 4 F

F2 ~ d2' 85

Таким образом, усилие, создаваемое прессом, во столько раз больше усилия, приложенного к плунжеру насоса, во сколько раз площадь поперечного сечения плунжера пресса больше площади поперечного сечения плунжера насоса. Принимая жидкость несжимаемой и пренебрегая возможными утеч­ ками через уплотнения, можно исходя из постоянства объемов жидко­ сти, перетекающей из насоса в пресс, определить соотношение ходов плунжеров:

где H — ход плунжера пресса; h — ход плунжера насоса. Гидравлические прессы можно классифицировать в зависимости от их устройства, системы управления, числа операций, выполняемых за один цикл, расположения рабочих гидроцилиндров и конструкции станины. В зависимости от устройства прессы бывают: — с одним или несколькими верхними рабочими цилиндрами (прессы верхнего давления); — с одним или несколькими нижними рабочими цилиндрами (прессы нижнего давления); — с верхним и нижним рабочими цилиндрами (прессы с двухсто­ ронним давлением); — с верхним и боковым рабочими цилиндрами (угловые прессы). Наибольшее распространение при переработке пластмасс получили прессы с верхним давлением, снабженные вторым нижним гидроци­ линдром, предназначенным для выталкивания отпрессованных изде­ лий из формы. Достоинством прессов с нижним давлением являются простота кон­ струкции и управления, их устойчивость, так как центр тяжести у них расположен достаточно низко, и небольшие габариты фундаментов. Эти прессы используют в том случае, когда применяются съемные формы и необходимы большие усилия прессования. Возврат в рабочее положение нижней подвижной плиты в этих прессах чаще всего проис­ ходит под действием собственного веса. В угловых прессах, как правило, верхний вертикальный цилиндр слу­ жит для прессования, а горизонтальный — для разъема пресс-формы. Обычно угловые прессы снабжаются еще третьим гидроцилиндром — выталкивающим, расположенным вертикально в нижней части пресса. Угловые прессы применяют для производства изделий со сложными поднутрениями. Если отключить горизонтальный цилиндр, то угловой пресс может работать как обычный пресс с верхним давлением. По типу управления прессы подразделяются: — на прессы с ручным управлением; — прессы-полуавтоматы; — прессы-автоматы. 86

В настоящее время прессы с ручным управлением встречаются очень редко и используются в основном в лабораториях. Управление полуавтоматическими прессами производится вручную нажатием кнопки один раз в течение цикла. После этого пресс авто­ матически совершает все операции цикла. Но следующий цикл может начаться лишь при повторном нажатии кнопки управления вруч­ ную. В прессах-полуавтоматах прессовщик вручную загружает прессматериал, вручную снимает готовые изделия, а при необходимости периодически вручную чистит пресс-форму. На прессах-автоматах все операции, включая загрузку сырья, съем готовых изделий и периодическую чистку формы, непрерывно (а не в течение одного цикла) осуществляются без участия прессовщика. Оборудование для автоматического прессования бывает двух видов: еди­ ный агрегат для таблетирования, нагрева таблеток и прессования или поточная автоматическая линия, в которую входят таблеточная машина, высокочастотный нагреватель, пресс и транспортные устройства. В зависимости от количества операций, выполняемых за один цикл, гидравлические прессы-автоматы подразделяют: — на однооперационные — с питанием предварительно подогре­ тыми таблетками; — двухоперационные, предназначенные для таблетирования и после­ дующего прессования без подогрева таблеток либо для подогрева полу­ ченных на другом оборудовании таблеток и прессования изделий; — трехоперационные — для таблетирования, нагрева таблеток ТВЧ и прессования изделий; — четырехоперационные — для таблетирования, нагрева таблеток, прессования и механической обработки готовых изделий. Если основные детали пресса (его стол и неподвижная верхняя плита) скреплены колоннами, то такой пресс называется колонным. Небольшие прессы бывают двух- и четырехколонными, а крупные — либо четырех-, либо многоколонными. Если основные детали пресса соединены рамой, то такой пресс назы­ вается рамным. Бывают одно-, двух- и многосточные рамные прессы. В последнее время большинство фирм выпускает рамные прессы. Только рамными бывают угловые и челюстные прессы. Челюстные прессы находят применение в том случае, если для обе­ спечения нормальной работы пресс-формы необходим свободный доступ к ней с трех сторон. По расположению станин прессы делятся на вертикальные и гори­ зонтальные. Различаются прессы и по конструкции главных рабочих цилин­ дров. Могут применяться цилиндры поршневого или плунжерного типа. В прессах верхнего давления предпочтение из соображений техники безопасности отдается цилиндрам плунжерного типа. При использовании в прессах верхнего давления гидроцилиндров поршневого типа подъем подвижной плиты осуществляется за счет 87

подачи рабочей жидкости в штоковую (ретурную) полость главного гидроцилиндра. Сложнее обстоит дело, если используется цилиндр плун­ жерного типа. В этом случае должны быть предусмотрены специальные возвратные цилиндры. Существуют конструкции прессов с одним воз­ вратным цилиндром, расположенным выше подвижной плиты, как пра­ вило, над рабочим цилиндром. Такие прессы принято классифицировать как прессы с верхним разъемом. Однако в настоящее время прессостроители предпочитают конструкции, в которых два (или более) возвратных цилиндра размещаются ниже подвижной плиты по бокам пресса. Такие прессы принято классифицировать как прессы с нижним разъемом. По количеству плит прессы подразделяются на одноэтажные, двух­ этажные и многоэтажные. По количеству позиций формования и кинематической связи между формующим инструментом и прессом можно выделить прессы однопозиционные и многопозиционные, которые, в свою очередь, можно разделить на карусельные, ротационные и т. д. Еще несколько лет назад было принято классифицировать гидравличе­ ские прессы по виду привода: с индивидуальным гидроприводом и с общим приводом от центральной насосной станции. В настоящее время подоб­ ная классификация устарела, так как практически все новые прессы выпу­ скаются производителями с индивидуальным гидроприводом.

4.3. Гидравлические прессы для переработки реактопластов 4.3.1. Прессы-полуавтоматы Гидравлический пресс-полуавтомат предназначен для формования изделий из реактопластов методами прямого и литьевого прессования. Скорости холостого (около 200 мм/с) и рабочего (4—7 мм/с) ходов подвижной плиты пресса позволяют вести переработку, например, термореактивных фенолоформальдегидных пресс-материалов с пред­ варительным подогревом до 100—110 °C. Для повышения прессосъема целесообразно применять предварительный подогрев до более высокой температуры. Однако при более глубоком предварительном подогреве продолжительность жизни термореактивного материала становится настолько короткой, что необходимо производить все вспомогательные операции прессования на повышенных скоростях. C этой целью соз­ даны прессы-полуавтоматы ускоренного прессования, отличающиеся от обычных наличием гидроаккумуляторов. Установка аккумулятора позволяет вести ускоренное прямое прессование с предварительным подогревом до 120—130 oC или получать тонкие армированные изде­ лия методом литьевого прессования. Аппаратура управления прессом предусматривает работу в наладоч­ ном и полуавтоматическом режимах при прямом или литьевом прессо­ вании и обеспечивает автоматическое поддержание заданной темпера­ туры матрицы и пуансона. 88

На прессе можно работать в следующих режимах: — с выталкивателем и без выталкивателя; — с отключением двигателя насоса на время выдержки под давле­ нием и без отключения двигателя насоса; — с подпрессовками и без подпрессовок; — с аккумулятором и без аккумулятора. Пресс-полуавтомат (рис. 4.8) состоит из станины 3, в верхнюю попе­ речину которой встроен главный цилиндр 4. На днище главного цилин­ дра установлены бак 8 и клапан наполнения 5.

Рис. 4.8. Общий вид пресса-полуавтомата рамного типа: 1 — неподвижная плита; 2 — рабочая плита; 3 — станина; 4 — главный гидроцилиндр; 5 — клапан наполнения; б — воздухоочиститель; 7 — указатель уровня рабочей жидкости в гидробаке; 8 — гидробак; 9 — упругое резиновое кольцо; 10 — шкаф электроаппаратуры; 11 — гидроагрегат; 12 и 14 — механизмы конечных выключателей; 13 — выталкивающий гидроцилиндр; 15. гидроцилиндр подъема рабочей плиты; 16 — электродвигатель

Расположение бака выше уровня главного цилиндра позволяет сде­ лать пресс более быстроходным. После загрузки пресс-формы верх­ нюю подвижную плиту необходимо как можно с большей скоростью опустить, чтобы сомкнуть полуформы и создать необходимое давле­ ние на пресс-материал. На прессе описываемой конструкции это осу­ ществляется следующим образом. Полости плунжерных гидроцилин­ 89

дров подъема рабочей плиты 15 (эти цилиндры часто также называют ретурными) соединяются со сливной магистралью. Плунжеры этих гидроцилиндров перестают поддерживать в верхнем положении рабо­ чую плиту 2, и она, увлекаемая собственным весом, а также весом плунжера рабочего цилиндра и верхней полуформы, начинает переме­ щаться вниз с большой скоростью. Достичь скорости свободного паде­ ния ей мешает лишь трение в направляющих деталях и в уплотнениях гидроцилиндров. Реальная скорость холостого хода плиты составляет не менее 200 мм/с. Одновременно с соединением полостей цилин­ дров 15 со сливом открывается клапан наполнения 5, установленный в верхней крышке главного гидроцилиндра 4 и перекрывавший до сих пор возможность проникновения рабочей жидкости в этот цилиндр. Благодаря значительной площади проходного сечения клапана наполне­ ния начинается быстрое заполнение полости главного гидроцилиндра. Увеличению скорости заполнения способствует и то обстоятельство, что плунжер гидроцилиндра, двигаясь вниз, создает дополнительный подсос, ускоряющий поступление в цилиндр рабочей жидкости. Однако производить смыкание полуформ на столь высоких скоростях нельзя, так как при этом будут возникать большие ударные нагрузки, которые неминуемо приведут к поломке как пресс-формы, так и самого пресса. Поэтому скорость движения плиты в момент смыкания полу­ форм должна резко уменьшиться. Замедленный ход плиты начина­ ется за 2—3 см до полного смыкания форм и в это время скорость его обычно не превышает 60 мм/с. Для того чтобы снизить скорость, соз­ дается сопротивление на пути рабочей жидкости, вытекающей из воз­ вратных цилиндров, плунжеры которых начинают притормаживать движение плиты с верхней полуформой. В момент смыкания формы скорость плиты снижается до 710 мм/с. Наливной клапан закрывается, а в заполненной рабочей жидкостью полости главного гидроцилиндра с помощью насоса высокого давле­ ния и малой производительности создается давление, необходимое для осуществления процесса прессования. Обратный ход рабочей плиты 2 осуществляется при помощи двух воз­ вратных цилиндров, расположенных в левой и правой нишах станины. В них подается рабочая жидкость, и благодаря небольшим диаметрам плунжеров и, следовательно, небольшим объемам даже при работе с насо­ сом высокого давления и малой производительности скорость перемеще­ ния вверх составляет не менее 50 мм/с. В момент начала движения рабо­ чей плиты вверх открывается клапан наполнения 5 и рабочая жидкость из главного гидроцилиндра вытесняется плунжером в гидробак. Такая конструкция оказалась целесообразной и с точки зрения тех­ ники безопасности, так как даже при отрыве рабочей плиты от плун­ жера она не падает, а лежит своими приливами на плунжерах возврат­ ных цилиндров. При размещении гидробака в нижней части пресса становится невоз­ можным заполнение самотеком главного гидроцилиндра во время дви­ 90

жения рабочей плиты вниз. В этих случаях гидросистема пресса ком­ плектуется вторым насосом — высокой производительности и низкого давления, который и обеспечивает быстрое заполнение полости глав­ ного гидроцилиндра. В прессах верхнего давления преимущественно используются главные цилиндры плунжерного типа. Применение главных цилиндров поршне­ вого типа делает ненужным установку возвратных цилиндров, однако в случае поломки штока поршня, что может случиться, например, при перекосе рабочей плиты из-за неправильной установки формы, становится возможным падение плиты и травмирование обслуживающего персонала. В нижней поперечине монтируется выталкивающий гидроци­ линдр 13 и механизм конечных выключателей 12. Вся электроаппара­ тура пресса размещена в отдельном шкафу 10. Гидроагрегат 11 при­ водится в действие электродвигателем 16. Ход подвижной плиты 2 регулируется при помощи механизма конечных выключателей 14. На крышке гидробака 8 установлен воздухоочиститель 6. Станина пресса (рис. 4.9) — сварная, двухстоечная, рамного типа — изготавливается из листового проката. На стойках 1 винтами закре­ плены направляющие призмы. C помощью регулировочных винтов 2 и 3 устанавливается необходимый зазор между рабочими поверхно­ стями направляющих станины и ползуна. Возвратные цилиндры уста­ навливаются в проушинах 5. На схеме литая верхняя подвижная плита (ползун) 4 показана совместно со станиной. При помощи проушин под­ вижная плита опирается на возвратные плунжеры. Рабочий и возврат­ ные плунжеры крепятся к этой плите винтами. Направляющие ползуна снабжены текстолитовыми прокладками. Смазка направляющих про­ изводится при помощи пресс-масленки. 1

2

3

4

5

Рис. 4.9. Сварная двухстоечная станина рамного типа 91

4.3.2. Однооперационные прессы-автоматы Однооперационный пресс-автомат рамного типа с питающим устройством шиберного типа (рис. 4.10) имеет станину 16, главный гидроцилиндр с плунжером 5, неподвижную 1 и подвижную 17 плиты. Гидропривод состоит из насоса с электродвигателем 7, резервуара 8 для масла, клапана предварительного заполнения 6, регулятора давления масла 9, панели управления 2, манометров 10 и главного выключа­ теля 14. Пуансон и матрица нагреваются нагревательными элементами. Температура пуансона и матрицы регулируется микропроцессором 3 и выводится на дисплей 4. Питающее устройство состоит из бункера 18 и шиберной плиты 19, передвигающейся по горизонтальным направля­ ющим 12, установленным над матрицей 11 пресс-формы.

Рис. 4.10. Схема однооперационного пресса-автомата рамного типа Цикл работы пресса начинается с загрузки пресс-формы. Изделие прессуется при опускании плунжера с подвижной плитой и пуансоном. Цикл технологических операций контролируется микропроцессором. Готовые изделия выталкиваются из формы поршнем гидроцилиндра 15 через систему рычагов 13. Отпрессованные изделия захватываются спе­ циальным устройством и сбрасываются в тару. Загрузка сыпучих пресс-материалов обычно осуществляется при помощи загрузчиков шиберного типа (рис. 4.11), имеющих загрузоч­ ные гнезда с регулируемым объемом. Прессуемый материал из бун­ 92

кера 4 попадает в питатель 5, в котором автоматически поддерживается постоянный уровень материала. Этим обеспечивается его равномер­ ная загрузка в ячейки 6 шиберной плиты 2. Когда загрузчик нахо­ дится под питателем 5, в его ячейки насыпается прессуемый материал. Затем загрузчик перемещается к пресс-форме 7. При этом шиберная плита 2 перекрывает окно питателя. При движении загрузчика отно­ сительно пресс-формы винт 8 упирается в ее край и заслонка 3 сдви­ гается в сторону, давая возможность материалу из ячеек загрузчика высыпаться в гнезда формы. В загрузчике с прямоугольными ячейками (см. рис. 4.11, а) изменение объема каждой ячейки достигается сме­ щением задней стенки 1. В загрузчике с круглыми ячейками 9 (см. рис. 4.11, б) одновременное изменение объема всех ячеек осущест­ вляется вертикальным перемещением нижней шиберной плиты 11 при помощи винтов 10. Поэтому формуемые в разных гнездах изделия должны будут иметь одинаковую массу.

Рис. 4.11. Схема дозаторов-загрузчиков шиберного типа с прямоугольными (а) и круглыми (б) ячейками Кроме шиберного устройства для загрузки порошкообразного или гранулированного пресс-материала применяют загрузочные устройства шлангового типа. Эти устройства сложнее по конструкции и отлича­ ются от описанных выше тем, что пресс-материал поступает в матрицу через гибкие шланги, подводимые к гнездам пресс-формы во время ее загрузки. При работе с таблетированным материалом используют питатели дискового или шиберного типа. Сферические таблетки диа­ метром до 25 мм загружают в бункер пресса, как и гранулированный материал. Удаление отпрессованных изделий на прессах-автоматах, как уже было сказано, осуществляется без участия прессовщика. В случае изго­ товления изделий простой формы при выталкивании снизу изделия, поднятые над уровнем матрицы системой выталкивания, сбрасываются в тару при движении вперед шиберной плиты загрузчика. Для изделий 93

более сложной формы при той же схеме выталкивания (рис. 4.12) после подъема пуансона 1 в зазор между матрицей 4 и изделием 2 вводится вилка 3 с прорезями для шпилек выталкивателя 5 (см. рис. 4.12, а). После опускания выталкивателя (см. рис. 4.12, б) изделие остается на вилке и удаляется из пространства между полуформами (см. рис. 4.12, в).

Рис. 4.12. Схема устройства для удаления изделий из матрицы При схеме выталкивания изделий сверху последние сбрасываются на приемный лоток и по нему перемещаются в приемную тару. Совре­ менные прессы-автоматы выпускаются как рамного, так и колонного (рис. 4.13) типов. Конструкция станины пресса, как правило, зависит от двух факторов. Первый связан с необходимостью обслуживания про­ цесса более чем с двух сторон; тогда предпочтение отдается колонной конструкции. Второй связан с тем, что различные прессостроительные предприятия могут отдавать предпочтение разной технологии изготов­ ления станин.

Рис. 4.13. Схема однооперационного пресса-автомата колонного типа: 1 — нижняя плита; 2 — верхняя плита; 3 — кожух концевого выключателя; 4 — устройство управления; 5 — привод; 6 — плунжер гидроцилиндра 94

4.3.3. Двухоперационные прессы-автоматы с червячной пластикацией На этом прессе осуществляют операции предварительной пласти­ кации и прессования. Такой пресс создается путем агрегатирования базового пресса с червячным пластикатором и механизмом для съема изделий, описанным в предыдущем разделе. Пластикационные шнековые приставки (рис. 4.14) по конструкции аналогичны узлу впрыска литьевой машины. Приставку устанавливают на отдельном фундаменте за прессом и крепят к нему тягами. Пресс-порошок из бункера поступает в материальный цилиндр, в котором расположен однозаходный червяк, совершающий вращатель­ ное и возвратно-поступательное движения. Материал пластицируется и накапливается в головной части цилиндра до заданного объема дозы, при этом червяк отходит назад.

Рис. 4.14. Схема пресса-автомата со шнековой пластикацией: 1 — шнековый пластикатор горизонтального типа; 2 — подвижная плита пресса; 3 — полуформы; 4 — устройство для удаления изделий из матрицы; 5 — готовое изделие

Приставка может работать в режиме пластикатора-дозатора, кото­ рый выдавливает дозу пластицированного материала в открытую пресс-форму, или в режиме литья, впрыскивая под давлением расплав в сомкнутую пресс-форму. Аналогичные по принципу действия прессы выпускаются промыш­ ленностью не только с горизонтальным, но и с вертикальным располо­ жением пластикационных шнековых приставок. Последние несколько сложнее по конструкции и дороже, однако позволяют экономить про­ изводственные площади. 4.3.4. Угловые прессы

На рис. 4.15 показан общий вид углового рамного пресса. Подобные прессы всегда бывают рамного типа. Основное отличие прессов этой 95

конструкции — наличие двух главных рабочих цилиндров: вертикаль­ ного и горизонтального. Цилиндры расположены друг относительно друга под прямым углом, что и определило название этих прессов. Вер­ тикальный цилиндр служит непосредственно для прессования, а гори­ зонтальный — для разъема пресс-формы. Прессы этой конструкции снабжаются также гидроцилиндром выталкивания, который распола­ гается обычно в нижней части пресса соосно с вертикальным рабочим цилиндром.

Pug 4.15. Общий вид углового рамного пресса:

1 — рама; 2 — верхний цилиндр; 3 — боковой цилиндр; 4 — подвижные плиты; 5 — неподвижные плиты

Как уже говорилось, угловые прессы используют при производстве изделий сложной конфигурации в пресс-формах, имеющих разъем в двух плоскостях: вертикальной и горизонтальной. К числу таких изде­ лий относят детали, имеющие поднутрения, ручки, а также арматуру, закрепленную в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При смыкании формы срабатывает горизонтальный цилиндр, полу­ формы смыкаются и образуют матрицу. Затем вертикальный цилиндр опускает пуансон и происходит прессование. Для того чтобы пресс-форма не открылась в момент прессования изделия верхним плунжером, усилие, развиваемое боковым рабочим цилиндром, должно превышать усилие на верхнем плунжере. Рекомен­ дуется, чтобы соотношение этих усилий равнялось примерно 1,5. После окончания выдержки на отверждение сначала поднимается верхний плунжер, потом отводится влево боковой плунжер; матрица пресс-формы раскрывается, и срабатывает гидроцилиндр выталкива­ ния, поднимая готовое изделие над уровнем матрицы. 96

4.3.5. Автоматические прессовые линии с выносными пресс-формами При производстве толстостенных изделий из реактопластов наиболь­ шая составляющая времени цикла прессования — это время отвержде­ ния, поэтому время выдержки материала в пресс-форме, как правило, значительно больше времени, необходимого на загрузку материала в форму и на съем готового изделия. В таких условиях целесообразно иметь многопозиционный пресс, обслуживаемый одним загрузочным и одним съемным устройствами. Усилие прессования, необходимое для заполнения пресс-формы прессуемым материалом, примерно в 10 раз больше, чем усилие, которое необходимо для удержания формы в зам­ кнутом состоянии в период отверждения материала. После того как при соответствующем давлении произошло полное и качественное оформление изделия, нет необходимости в течение всего времени отверждения выдерживать его при том давлении, при котором оно было отформовано. В это время самым важным технологическим фак­ тором является правильный тепловой режим. C учетом сказанного для повышения производительности оборудо­ вания, предназначенного для производства толстостенных изделий, были созданы автоматические линии с выносными пресс-формами. Линии предназначены для получения изделий из фенопластов, ами­ нопластов, волокнистых пресс-материалов как в таблетированном, так и в гранулированном или порошкообразном состоянии методами пря­ мого или литьевого прессования. Линии позволяют производить арми­ рованные изделия. Формование может проводиться как с подпрессов­ ками, так и без них. Линия (рис. 4.16) состоит из горизонтального замкнутого шагового конвейера, по которому в заданном темпе перемещаются в выносных универсальных блоках пресс-формы. На одной из ветвей конвейера установлены два гидравлических пресса. Пресс, установленный в пози­ ции II, служит для раскрытия пресс-форм, а пресс в позиции VII — для их закрытия. Кроме того, на линии установлены механизмы для съема отпрессованных изделий (позиция III), очистки форм (позиция IV), установки арматуры (позиция V), загрузки пресс-материала (позиция VI). Закрытая форма (позиции I) совершает путь по шаговому конвей­ еру до позиции II, где при помощи гидравлического пресса открыва­ ется. В описываемых линиях могут использоваться как обычные рам­ ные прессы, так и челюстные прессы. На позиции VI пресс-материал поступает из питателя в откры­ тую пресс-форму. Затем шаговый конвейер перемещает пресс-форму к прессу в позицию VII, который, сжимая пакет тарельчатых пружин 2 (рис. 4.17), смыкает форму, при этом рычаги-захваты 3 под воздей­ ствием отжимных пружин 9 запирают форму (часть рис. 4.17 справа от оси). Закрытая форма периодически перемещается по столу шаго­ вым конвейером. К столу на изолирующих кронштейнах прикреплены две токопроводящие шины, а на каждой из форм имеется собственный 97

электронагреватель с двумя токосъемниками. Благодаря этому в фор­ мах поддерживается температурный режим, необходимый для проте­ кания реакции отверждения.

Рис. 4.16. Линия прессования с выносными пресс-формами

Рис. 4.17. Пресс-форма с рычажным запорным устройством: 1,10 — плиты; 2 — пакет тарельчатых пружин; 3 — рычаги-захваты; 4 — клиновая вставка; 5 — промежуточная плита; 6 — направляющие колонки и втулки; 7 — выталкиватель; 8 — ось; 9 — отжимная пружина 98

В конце первой линии пресс-форма подходит к толкателю, который перемещает ее на вторую линию шагового конвейера, транспортиру­ ющего пресс-форму к началу первой линии. За время транспортирова­ ния в нагретой форме изделие отверждается. Раскрытие формы проис­ ходит на прессе в позиции II. Плунжер этого пресса вначале сжимает тарельчатые пружины 2, разгружая рычаги-захваты 3. Затем механизм прижима сжимает пружины 9, освобождая от рычагов крышку прессформы, захватываемую рычагами, установленными на верхней под­ вижной плите пресса. Плита пресса движется вверх вместе с крышкой и пуансоном формы. Раскрытая форма передвигается конвейером к механизму для съема отпрессованных изделий (позиция III на рис. 4.16), на котором готовые изделия выталкиваются из гнезд формы. Для перемещения пресс-форм на подобных линиях чаще всего используются штанговые шаговые транспортеры с «собачками» (рис. 4.18). На штанге 1, совершающей возвратно-поступательное движение и проходящей через весь участок линии, установлены под­ пружиненные «собачки» 2. При передвижении штанги вправо под воз­ действием «собачек» происходит перемещение выносных пресс-форм 3 на шаг t, т. е. с одной позиции на другую. При обратном движении штанги «собачки» отжимаются и проходят под пресс-формами, а затем поднимаются пружинами и при очередном движении вправо вновь перемещают пресс-формы.

Рис. 4.18. Схема штангового шагового транспортера с «собачками»

4.3.6. Этажные прессы Этажными прессами называют прессы, предназначенные для одно­ временного прессования ряда изделий, расположенных одно над дру­ гим (рис. 4.19). При этом усилие, создаваемое прессом, полностью передается с одного этажа на другой. В промышленности переработки пластмасс подобные прессы служат в основном для производства плит и листов с различными наполнителями и связующими на основе поли­ мерных смол. Иногда на этажных прессах листы или плиты ламини­ руют декоративным покрытием. Современные этажные прессы имеют нижнее расположение главного цилиндра. Часто при большой площади плит с целью более равномерной передачи на них усилия прессования и для уменьшения диаметра главного цилиндра одновременно исполь­ зуют несколько гидроцилиндров, работающих синхронно. Для удобства обслуживания прессов главный цилиндр (или цилиндры) приходится размещать в приямке ниже уровня пола, так как в противном случае 99

загрузка и выгрузка с верхних этажей пресса будет связана с неоправ­ данными трудностями.

Рис. 4.19. Принципиальная схема этажного пресса колонного типа: 1 — гайка; 2 — верхняя поперечина; 3 — колонна; 4 — лестничный упор; 5 — греющая плита; 6 — нижняя подвижная плита; 7 — плунжер цилиндра ускоренного хода; 8 — цилиндр ускоренного хода; 9 — плунжер главного цилиндра; 10 — главный цилиндр

Цилиндры этажных прессов чаще всего изготавливают литыми из стали. Однако некоторые фирмы предпочитают использовать цилин­ дры, полученные механической обработкой. Плунжеры изготавлива­ ются либо из чугуна, либо из стали. Используются манжетные уплот­ нения. Возврат подвижных частей в нижнее положение происходит под дей­ ствием собственного веса. Часто используется насосно-аккумулятор ­ ный привод. При работе на одном высоком давлении устанавливаются дополнительные цилиндры, которые обеспечивают ускоренный подъем и смыкание плит, в то время как главный цилиндр заполняется жид­ костью, самотеком поступающей через наполнительный клапан. Прес­ сование происходит при переключении главного цилиндра на рабочее давление. Теоретически предела числа этажей не существует, однако при назначении этого числа приходится оценивать величину рабочего хода

юо

главного плунжера и условия механизации загрузки и выгрузки паке­ тов прессуемого материала. Мировой опыт прессостроения показывает, что максимальное число этажей колеблется в пределах 20—25. Величина рабочего хода главного плунжера L рассчитывается по формуле

L = n(H-h~), где п — число этажей; H — расстояние между плитами в разомкнутом состоянии; h — расстояние между плитами в конце прессования. Станины этажных прессов бывают как рамными, так и колонными. Верхняя поперечина (архитрав) может быть как литой, так и получен­ ной механической обработкой из кованой заготовки. Плиты чаще всего выполняются из толстолистового проката и снабжены каналами для жидкостного (реже парового) обогрева. Между нижней греющей плитой, закрепленной на подвижном столе, и верхней, прикрепленной к архитраву, смонтированы проме­ жуточные нагревательные плиты. Одинаковое расстояние между пли­ тами в разомкнутом состоянии обеспечивается либо системой упоров лестничного типа, в которых каждый следующий упор, начиная снизу, короче предыдущего, либо цепным устройством. От конструкции нагревательных (или греющих) плит во многом зависят технологические возможности пресса. Ведь с их помощью в прессуемом материале создается требуемое давление и обеспечива­ ется поступление тепла, необходимого как для равномерного распреде­ ления связующего в форме, так и для успешного прохождения реакции отверждения. Нагревательные плиты должны быть достаточно мас­ сивными, так как важным условием получения высококачественных изделий при прессовании является равномерность давления в прессматериале, создаваемого по всей поверхности плиты. Это зависит от жесткости конструкции плиты и качества механической обработки ее поверхности. Для переработки материалов, требующих давления прессования до 5 МПа, применяют нагревательные плиты толщи­ ной 40—45 мм, а при давлениях прессования свыше 5 МПа — плиты толщиной 65—70 мм. На рис. 4.20 представлена конструкция нагревательной плиты этаж­ ного пресса для производства слоистых пластиков. Система каналов для теплоносителя, с помощью которого нагреваются плиты, образу­ ется рядом параллельных сверленых нагревательных каналов 1, сооб­ щающихся друг с другом с помощью соединительных каналов 2. Нагре­ вательные каналы сверлят на многошпиндельных агрегатных станках. Диаметр и длина каналов определяются теплофизическим расчетом. Более высокие температуры плит достигаются при использовании электронагревателей. В настоящее время наиболее распространено использование трубчатых электронагревателей сопротивления (устрой­ ство ТЭНов — см. в разделе 5.3.1), что позволяет сохранить конструк­ цию плиты, применяемую для жидкостного или парового обогрева. 101

Рис. 4.20. Схема нагревательной плиты Подвод пара или воды от неподвижного коллектора к подвижным плитам пресса осуществляется с помощью телескопического устройства (рис. 4.21) или трубками с шарнирными соединениями (рис. 4.22).

Рис. 4.21. Телескопическое соединение трубопроводов

Рис. 4.22. Шарнирное соединение трубопроводов 102

Прессованию предшествует подготовка пакетов — наполнителя, пропитанного полимерным связующим и уложенного между двумя пресс-прокладками. Существует целый ряд устройств для механизации загрузки и раз­ грузки прессов: гидравлические подъемники, вагоны-этажерки, ста­ ционарные и поворотные этажерки, различные толкающие и тянущие механизмы. Рассмотрим два достаточно типичных примера. На рис. 4.23 приведена схема этажного гидравлического пресса 5, используемого при поточной загрузке и выгрузке изделий. Сформи­ рованный пакет подается к загрузочной этажерке 4. Этажерка и пресс имеют одинаковое число этажей. На каждом из этажей смонтировано по два консольных рольганга 3. Этажерка с помощью гидравлического подъемника перемещается по вертикали.

Рис. 4.23. Схема этажного пресса с загрузочной и разгрузочной этажерками

Загрузка пакетов в этажерку происходит так. Этажерку опускают в приямок с таким расчетом, чтобы верхние консольные рольганги расположились на одном уровне с подающим транспортером. После этого подающий транспортер передает пакет на консольные роль­ ганги. Передняя часть пакета, дойдя до конца этажерки, фиксируется установленным там датчиком, который подает команду на подъем эта­ жерки на один шаг. Таким образом загружаются пакетами все ее этажи. К этому моменту рабочая плита пресса находится в нижнем положении и все нагревательные плиты пресса свободны от готовых изделий, полу­ ченных при предыдущей запрессовке. Загрузка пакетов на все этажи 6 пресса осуществляется одновременно толкателем 1, который переме­ щается по направляющим балкам 2. Ширина толкателя меньше, чем просвет между консольными рольгангами этажерки, поэтому он может свободно передвигаться между этими рольгангами. При своем посту­

юз

пательном движении толкатель упирается в торцы пакетов и вдвигает их в пресс, после чего возвращается в исходное положение. Плиты пресса смыкаются, и происходит процесс формования. По окончании прессования плиты пресса размыкаются и готовые листы или плиты вместе с пресс-прокладками, между которыми они находятся, выгружаются разгрузчиком 8. Пресс-прокладки с одной стороны имеют специальные выступы, за которые зацепляются захваты разгрузчика. Затем разгрузчик отходит вправо, одновременно вытягивает из пресса все пакеты и передает их на консольные рольганги разгрузочной эта­ жерки 7, которая по конструкции аналогична этажерке 4. Во время раз­ грузки этажерка 7 опускается на один шаг, при этом пакет переходит на разгрузочный транспортер. После этого специальное устройство осво­ бождает готовую плиту или лист от пресс-прокладок, которые по транс­ портерам возвращаются к позиции подготовки пакетов. В качестве другого примера рассмотрим организацию обслужива­ ния этажного пресса 9 для производства листов из слоистого пластика (рис. 4.24). Пропитанная связующим и нарезанная на листы нужного формата бумага, сложенная в стопы, подается в зону обслуживания пресса на конвейерных тележках 1. Набор пакетов производится на ком­ плектующих столах-тележках 3. Крафт-бумага и пресс-прокладки, пода­ ваемые на тележках 2, укладываются кранами 4, на которых подве­ шены траверсы с вакуумными присосками. Пресс-прокладки поступают с пунктов механической очистки 5. Декоративная бумага и покровный защитный слой (оверлей) могут укладываться как кранами, аналогич­ ными крану 4, так и вручную, как это показано на рис. 4.24.

Рис. 4.24. Схема механизации загрузки и разгрузки этажного пресса при производстве листов из слоистых пластиков 104

После того как на столах-тележках 3 набрано по одному пакету, предназначенному для укладки в пресс, каждая из тележек подходит к соответствующему подъемнику 6. Пакет с помощью толкателя переда­ ется на подъемник, который загружает пакет в поворотную этажерку 7. Для ускорения обслуживания пресса загрузка пакетов в этажерку про­ исходит одновременно слева и справа. Причем система автоматики, управляющая комплексом, настроена так, чтобы один из подъемни­ ков подавал пакеты только на четные этажи этажерки, а другой — только на нечетные. На схеме этажерка 7 показана в положении, когда при помощи толкателя 8 набранные пакеты одновременно подаются на этажи пресса. Разгрузку пресса производят с небольшим опережением по отноше­ нию к загрузке. На разгрузчике 11 имеются подпружиненные зацепы, которые входят в специальные окна пресс-прокладок и вытаскивают пакеты с готовым слоистым пластиком из пресса на разгрузочную эта­ жерку 10. Затем этажерка поворачивается на 90° и гидравлические столы-подъемники 13 передают пакеты с готовыми листами на разгру­ зочные столы-тележки 3. Пресс-прокладки с готовых листов снимаются с помощью крана 4. Готовые листы пластика складываются на конвей­ ерную тележку 1, а пресс-прокладки поступают на пункт механической очистки 5. Управление агрегатом ведется с единого пульта управления 12, рас­ положенного на высокой площадке для лучшего обзора оператором всех основных механизмов. 4.3.7. Короткотактные прессы

Как было показано в предыдущем разделе, высокая производитель ­ ность этажных прессов достигается за счет одновременного формо­ вания большого количества изделий. Такая же производительность короткотактных прессов основывается на высоких скоростях холостых ходов рабочей плиты и малой продолжительности процесса отвержде­ ния перерабатываемого пресс-материала. На время отверждения прессматериала в основном влияют два фактора: время прохождения самой реакции отверждения и время нагрева материала до нужной темпера­ туры. В свою очередь, время нагрева является функцией теплофизиче­ ских свойств перерабатываемого материала и толщины нагреваемого объекта. Теплофизические свойства заданы самой природой прессматериала и требованиями к условиям эксплуатации готовых изделий. На скорость реакции отверждения можно влиять, используя те или иные компоненты при составлении рецептуры термореактивных смол. Однако самый большой резерв для сокращения цикла прессования — уменьшение толщины изделия. Это обстоятельство объясняет основное назначение короткотактных прессов: они используются в основном для ламинирования древесно-волокнистых (ДВП) и древесно-стружечных (ДСП) плит декоративными бумажно-слоистыми пластиками. Прак­ тически всегда ДВП и ДСП ламинируются с двух сторон: либо с двух 105

сторон наносят декоративные покрытия, либо с одной стороны деко­ ративное, а с другой стороны (во избежание коробления плит) — ком­ пенсирующее, выполненное из более дешевых сортов бумаги без нане­ сения декорирующего печатного рисунка. Процесс ламинирования широко используется в мебельной промышленности и при производ­ стве искусственного паркета. В процессе ламинирования применяются бумажно-слоистые пла­ стики малой толщины, в которых реакция отверждения прошла не полностью. При напрессовке их на ДВП или ДСП они за счет тепла, передаваемого от греющих плит пресса, очень быстро нагреваются до температуры плавления связующего. Недоотвержденная смола пере­ ходит в вязкотекучее состояние, и под действием температуры осущест­ вляется как окончательное отверждение бумажно-слоистого пластика, так и его сшивание со смолой, которой были пропитаны ДВП или ДСП. Общий вид короткотактного пресса представлен на рис. 4.25. На ста­ нине 7 рамного типа установлена нижняя неподвижная плита 1. Верх­ няя подвижная плита 2 закреплена на штоках рабочих цилиндров 6. Площадь плит короткотактных прессов достигает 12 м2 и более, поэ­ тому во избежание перекосов на прессах устанавливается в зависи­ мости от их размеров несколько рабочих цилиндров. Обычно исполь­ зуются гидроцилиндры плунжерного типа. Пресс, изображенный на рисунке, имеет 12 таких цилиндров. Подъем подвижной плиты осу­ ществляется с помощью четырех ретурных цилиндров 3, расположен­ ных по ее углам. Гидросистема вместе с гидробаком 4 располагается над станиной пресса. Гидробак оборудован воздушными клапанами 5 с фильтрами. Верхняя и нижняя плиты пресса снабжены жидкостным, паровым или электрическим обогревом.

Рис. 4.25. Общий вид короткотактного пресса

Как и этажные, короткотактные прессы снабжаются развитой инфра­ структурой1 для обеспечения их работы в автоматическом режиме. 1 Под инфраструктурой пресса подразумеваются все устройства и механизмы, обе­ спечивающие загрузку пресса, выгрузку готовой продукции, дополнительное охлажде­ ние готовых изделий, удаление излишков смолы и бумаги, обогрев плит пресса и т. д.

106

Схема автоматической линии на базе короткотактного пресса, используемого при производстве искусственного паркета, приведена на рис. 4.26. Штабель ДВП подается с помощью электропогрузчика на большегрузный роликовый транспортер 1. По транспортеру штабель попадает на подъемный стол 2, который, после того как загрузочное устройство 3 подаст верхнюю плиту на щеточный станок 4, поднима­ ется ровно на толщину одной плиты и перемещает следующую плиту в исходное положение. Щеточный станок с вращающимися щетками удаляет с поверхности плит пыль и другие возможные загрязнения. По наклонному транспортеру 5 плита подается к порталу б и ориенти­ руется под его вакуумными присосками. На подъемный стол 7 электропогрузчиком укладывается стопа бумажно-слоистого пластика, предназначенного для создания компен­ сирующего слоя. C помощью укладочной станции 8 происходят отделе­ ние от стопы верхнего листа и его укладка на транспортер 9. После этого портал 6 переносит с позиции 5 древесно-волокнистую плиту и укладывает ее поверх компенсирующего слоя на ленточный транспортер 9. Чтобы при дальнейшем движении набираемого пакета не произошло взаимного смещения компенсирующего слоя и древесно­ волокнистой плиты, нижний ионизатор 10 создает электростатический заряд, как бы «склеивающий» эти два слоя. C транспортера 9 пакет поступает на ленточный транспортер 11. На подъемный стол 12 электропогрузчиком укладывается стопа бумажно­ слоистого пластика, предназначенного для создания декоративного слоя. C помощью укладочной станции 13 происходят отделение от стопы верх­ него листа и его укладка на формируемый пакет поверх древесно-волок­ нистой плиты. Ионизатором 14 над пакетом создается электростатиче­ ский заряд, препятствующий смещению декоративного слоя. C транспортера 11 пакет передается на ленточный транспортер 15. На подъемный стол 16 электропогрузчиком укладывается стопа бумажно-слоистого пластика, предназначенного для создания защитного покрывного слоя (оверлея). C помощью укладочной станции 17 проис­ ходят отделение от стопы верхнего листа и его укладка на формируемый пакет поверх декоративного слоя. Ионизатором 18 над пакетом созда­ ется электростатический заряд, препятствующий смещению оверлея. Транспортером 15 готовый пакет передается на подъемный стол с ременным конвейером 20, с которого производится установка пакета на загрузочно-разгрузочную тележку 21 пресса 22. Перед этим, чтобы гарантировать взаимное расположение слоев в пакете, еще раз созда­ ется электростатический заряд с помощью ионизатора 19. Тележка 21 продвигается вправо и устанавливает пакет между пли­ тами пресса. Плиты смыкаются, происходит процесс ламинирования. Затем плиты размыкаются, тележка 21 делает еще одно движение вправо и передает ламинированную плиту на ременный конвейер 25. После этого загрузочно-разгрузочная тележка возвращается в исходное положение к подъемному столу с ременным конвейером 20. 107

Рис. 4.26. Схема автоматической линии на базе короткотактного пресса

Пресс 22 оборудован двумя нагревательными контурами. Первич­ ный контур 23 (на рис. 4.26 не показан, так как это устройство монти­ руется, как правило, в другом помещении) отвечает за нагрев жидкого теплоносителя (масла), вторичный контур 24 — за регулирование тем­ пературы теплоносителя в греющих плитах. По аналогии с этажными прессами в качестве пресс-форм на корот­ котактных прессах используются пресс-прокладки, однако они не удаля­ ются из пресса с каждым отформованным пакетом, а устанавливаются на прессе стационарно. Срок их физического износа зависит от твер­ дости оверлея, однако их периодически необходимо снимать с пресса для очистки, так как на них из прессуемых пакетов может попадать и отверждаться связующее. В связи с большим размером рабочих плит пресса пресс-прокладки, используемые на короткотактных прессах, имеют большую массу и их замена, производимая при необходимости их чистки, смене рисунка тиснения ламинируемых плит или в случае выхода пресспрокладки из строя, должна быть механизирована. Для более равномер­ ного распределения усилия по всей поверхности формуемых пакетов используются специальные нежесткие прокладки — так называемые «пресс-маты». Они ткутся из очень толстых нитей, выдерживающих высокие рабочие температуры греющих плит, и укладываются между плитами пресса и пресс-прокладками. В плетение пресс-матов добав­ ляют медные нити, которые способствуют увеличению теплообмена между плитами пресса и пресс-прокладками. Около пресса располагается стеллаж 26, на котором осуществляется промежуточное хранение пресс-прокладок. При необходимости замены пресс-прокладок они снимаются со стеллажа 26 порталом 27, оборудо­ ванным траверсой с вакуумными присосками, и доставляются к прессу. Пресс-прокладки, снятые с пресса, тем же порталом транспортируются на специальную площадку около стеллажа. C ременного конвейера 25 ламинированная плита попадает на ста­ нок 28 по очистке кромок. Для того чтобы уменьшить возможные отходы за счет брака по периметру плиты, размеры бумажнослоистого пластика, укладываемого в качестве компенсационного, декоратив­ ного и покрывного слоев, на 10—20 мм превышают длину и ширину ламинируемой плиты. В назначение станка 28 входит также очистка кромок от выступающей бумаги. Рольганг 29 принимает плиты с очистного станка и передает их к загрузочному устройству 30. C этого устройства плиты попадают в первую зону охлаждения 31. Зона представляет собой карусель с гори­ зонтальной осью. По краям карусели установлены штыри, длина кото­ рых немного превышает ширину ламинируемых плит. Карусель враща­ ется, и очередная пара штырей подхватывает вышедшую из-под плит пресса плиту и медленно перемещает ее к рольгангу 32. Плита остается на этом рольганге и транспортируется вправо ко второй зоне охлажде­ 109

ния 33, а освободившиеся штыри продолжают свое вращение, чтобы забрать очередную плиту с загрузочного устройства 30. Устройство второй зоны 33 охлаждения аналогично. Остывшая плита попадает на рольганг 34 и передается к многопильному (с несколькими дисковыми пилами) станку 35, который разделяет плиту на отдельные доски. Затем на щеточном станке 36 поверхность досок очищается от опилок и пыли. У первой зоны охлаждения один из операторов установки отслежи­ вает возможные повреждения на ламинированных плитах. В случае необходимости он нажимает соответствующую кнопку на пульте, рас­ положенном рядом, и путь поврежденной плиты автоматически отсле­ живается. Когда доски, нарезанные из бракованной плиты, достигают угловой передачи 37, она передает их на подъемный стол 38, на кото­ ром они скапливаются. Качественные доски по рольгангам попадают на подъемный стол 39, упираются в штабелирующую стенку 40 и нака­ пливаются в штабеле. Чтобы не повредить готовые доски при их даль­ нейшей обработке, из магазина 41 на подъемный стол 39 под каждый новый штабель и поверх него укладываются неламинированные доски, которые находятся в постоянном обороте. По достижении штабелем заданной высоты он передается транспортером 42 на намоточное устройство 43, где обматывается стрейч-пленкой. Упакованный шта­ бель по транспортеру 44 передается на стол 45, с которого забирается электропогрузчиком. Автоматическая линия снабжена защитными ограждениями 46 и предохранительными фотореле. Управляющее электрооборудование смонтировано в отдельно стоящих щитах 47.

4.3.8. Ленточные прессы Ленточные прессы используются в промышленности при произ­ водстве тонколистовых слоистых пластиков, искусственной кожи, ламинирования древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит декоративными пленками из поливинилхлорида или тонким бумажно­ слоистым пластиком, при производстве ламинированного паркета. Принципиальная схема ленточного гидравлического пресса пред­ ставлена на рис. 4.27. Пресс вертикальный, колонного типа с верхним расположением рабочих цилиндров. Станина пресса состоит из верхней и нижней траверс, соединенных между собой колоннами. Возврат под­ вижной плиты в верхнее положение обеспечивается либо ретурными цилиндрами, либо, как это показано на схеме, при помощи гидроци­ линдров поршневого типа. Верхняя плита поднимается по направляю­ щим консольного типа, закрепленным на верхней траверсе. Пресс оборудован четырехзонными греющими плитами. Для пере­ мещения материала из одной зоны в другую пресс оборудован двумя непрерывными стальными лентами, перемещающимися синхронно. Стальные ленты выполняют одновременно роль пресс-форм. C их помо­ щью на формуемое изделие может наноситься то или иное тиснение. 110

По мере истирания рабочих поверхностей лент их либо восстанавли­ вают, либо заменяют.

Рис. 4.27. Схема ленточного гидравлического пресса: 1 — поршень рабочего гидроцилиндра; 2 — рабочий цилиндр; 3 — верхняя непрерывная стальная лента; 4, 14 — натяжные устройства; 5 — верхняя траверса; 6 — колонна; 7 — подвижная плита; 8, 12 — теплоизоляция; 9, 11 — обогреваемые плиты; 10 — обрабатываемый материал; 13 — нижняя траверса; 15 — нижняя непрерывная стальная лента

Различают два вида ленточных прессов. В прессе первого вида, схема которого приведена на рис. 4.27, перемещение лент, а следова­ тельно, и прессуемого материала осуществляется отдельными тактами на длину одной зоны нагрева. Перемещение производится при под­ нятой верхней плите. Натяжение лент обеспечивается специальными натяжными устройствами. Обогрев плит может быть жидкостным, паровым или электрическим. Обогрев каждой температурной зоны, контроль и регулирование температуры производятся раздельно. В ленточных прессах второго вида предусматривается непрерывное движение лент. На рис. 4.28 показан общий вид такого ленточного пресса для производства бумажно-слоистых пластиков. В случае непрерывного движения ленты верхняя плита не подни­ мается и перемещению лент препятствует очень большая сила трения, причем она тем больше, чем выше давление прессования. Для сокраще­ ния силы трения производителями прессов предлагаются следующие три варианта: — пресс скольжения; — роликовый пресс; — пресс с жидкой или воздушной прокладкой. В прессах скольжения поверхности нагревающих прессующих плит, соприкасающиеся с лентами, для снижения сил трения покрываются материалом с низким коэффициентом трения, например фторопла­ стом. Однако только этой меры оказывается недостаточно. Между покрытием с низким трением и стальной лентой должна находиться 111

специальная смазка, хорошо работающая при высоком давлении и повышенных температурах. Однако жесткие условия эксплуатации сокращают срок службы смазки и, таким образом, увеличивают себе­ стоимость продукции.

Рис. 4.28. Общий вид ленточного пресса для производства бумажно-слоистых пластиков: I — верхняя лента; 2 — нижняя лента; 3 — натяжные механизмы; 4 — нижняя траверса; 5 — верхняя траверса; 6 — цилиндр подъема; 7 — рама; 8 — цилиндр прижима

У прессов с роликовым основанием между неподвижными и дви­ жущимися частями пресса устанавливаются ролики. Они либо закре­ плены на прессующих лентах, либо образуют подвижную роликовую дорожку, движущуюся в направлении прессующей ленты. Эти прессы бывают двух типов: с роликами, длина которых равна ширине прес­ сующей ленты, либо с вращающимися на одной оси короткими роли­ ками. Длинные ролики обычно имеют диаметр 20—22, короткие — около 12 мм. Это объясняется тем, что при работе пресса в роликах возникает большой крутящий момент и если длинные ролики сделать малого диаметра, то в них возникает большой угол закручивания. Короткие же ролики этим дефектом не страдают. Второе преимущество коротких роликов состоит в том, что их можно монтировать с меньшим межосевым расстоянием друг относительно друга. При этом уменьша­ ется прогиб прессующей ленты и увеличивается теплообмен между гре­ ющими плитами и стальной лентой. Достаточно часто в технологическом цикле прессования на лен­ точных прессах приходится осуществлять не только нагрев прессматериала, но и охлаждение полученного изделия. Например, это необходимо при получении бумажно-слоистых пластиков, используе­ 112

мых в последующем для ламинирования. В этом случае плиты пресса делятся на греющие и охлаждающие. Сначала материал проходит зону (или зоны) нагрева, а затем зону (или зоны) охлаждения. В этом слу­ чае использование пресса с двумя лентами не является рациональным, так как ленты будут переносить тепло из зоны нагрева в зону охлажде­ ния. Поэтому такие прессы оборудуются двумя парами лент. Одна пара обслуживает зону нагрева, вторая — зону охлаждения. В этом случае становится наиболее актуальным использование коротких роликов малого диаметра, так как такая конструкция помогает минимизиро­ вать расстояние между двумя парами лент (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Схема стыковки двух пар лент на прессе с роликовым основанием После сжатия полотна или ленты во входной части роликовые прессы поддерживают равное расстояние между стальными лентами и произ­ водят равнотолщинные изделия. В ленточных прессах с жидкой или воздушной прокладкой (рис. 4.30) используется слой жидкости или сжатого воздуха в пространстве между греющими плитами и стальными лентами. Наиболее ответственными узлами в данном случае являются уплотнения. Несмотря на то что жид­ кости практически несжимаемы, а воздушная прослойка может менять свой объем, предпочтение отдается воздуху, так как он позволяет избе­ жать при производственных ошибках или авариях утечки масла.

Рис. 4.30. Принципиальная схема ленточного пресса с воздушной прокладкой: F — усилие прессования; v — скорость движения лент 113

В системах с сжатым воздухом малейшие утечки немедленно вос­ полняются компрессорной установкой. Поэтому пресс постоянно под­ держивает неизменный уровень давления. Естественно, что неподвижный слой воздуха является хорошим теплоизолятором, но теплопередача в воздушной среде резко увеличи­ вается, если циркуляция воздуха происходит в турбулентном потоке. В прессах с воздушной прокладкой обеспечивается циркуляция воз­ духа со скоростью до 50 м/с, и это гарантирует хорошую теплопере­ дачу от греющих плит через ленты к прессуемому материалу, причем с увеличением давления прессования теплопередача улучшается. В роликовых прессах и прессах скольжения теплопередача не зави­ сит от давления прессования. В прессах скольжения она ограничивается теплофизическими свойствами антифрикционного покрытия и исполь­ зуемой смазки. В роликовых прессах теплопередача зависит от тепло­ проводности материала роликов, от их геометрии из числа на единицу площади стальной ленты. 4.3.9. Прессы профильного прессования

Профильное прессование производится на специальных гидравли­ ческих прессах. Чаще всего это прессы горизонтального типа. Пример схемы пресса для профильного прессования, приведен на рис. 4.31. Пресс состоит из станины, двух плит стола 1, стоек стола 2, передней подвижной плиты 11, задней подвижной плиты 9, колонн, соединяю­ щих подвижные плиты (на схеме не показаны), моста 10, неподвижной плиты 7, колонн 8, плунжера рабочего цилиндра 6, плунжера обрат­ ного хода 5, плиты плунжера обратного хода 4, тяг плунжера обратного хода 3 и гаек 12.

Рис. 4.31. Схема пресса для профильного прессования

Рабочая жидкость подается в полость задней плиты 9, являющейся одновременно подвижным цилиндром, через плунжер 6, один конец которого закреплен в неподвижной плите 7, а другой конец входит через уплотнение в полость плиты 9. Под действием давления, создавае­ мого рабочей жидкостью, подвижные плиты 9 и 11, соединенные между собой колоннами, движутся вправо и при этом перемещают пуан­ 114

сон, который крепится к плите 11. Пуансон передает пресс-материал в пресс-форму, установленную на плите стола 1. Цилиндр обратного хода, расположенный внутри плунжера рабочего цилиндра, находится под постоянным давлением рабочей жидкости. Когда подвижные плиты перемещаются в крайнее правое положе­ ние, рабочий цилиндр переключается на слив. Плиты сразу начинают двигаться назад (холостой ход пресса), так как на них действует плун­ жер обратного хода, находящийся всегда под действием давления. Его движение сообщается подвижным плитам при помощи плиты 4 и тяг 3, соединенных с задней подвижной плитой 9. Для ограничения хода подвижных плит и предупреждения выхода плунжера 6 из рабочего цилиндра (полости в задней подвижной плите) на колоннах 8 устанавливаются гайки 12. Эти гайки воспринимают усилие пресса в том случае, если своевременно не сработает автомати­ ческое управление, переключающее пресс с рабочего на обратный ход. Из основных деталей пресса к его станине крепится только непод­ вижная плита 7. Плита стола 1 свободно лежит в направляющих, что обеспечивает свободу перемещения ее относительно станины во время установки на прессе пресс-формы и при возможной деформации колонн во время работы пресса. Мост 10 предназначается для крепления дорнов пресс-формы. Как видно из приведенной выше схемы, для оформления изделий на профильных прессах требуется весьма специфичный формующий инструмент. Схема подобного инструмента для получения непрерыв­ ного профиля из термореактивного материала приведена на рис 4.32. Пресс-материал из бункера 13 просыпается при холостом ходе пресса в загрузочную камеру 3, а при рабочем ходе продавливается вдоль цилиндра, при этом новые порции материала «наращиваются» на ранее полученный профиль в мундштуке и выдавливают из свободного его конца очередной участок готового изделия. Таким образом, при каж­ дом рабочем ходе профильного пресса, осуществляемом через задан­ ные промежутки времени, в пресс-форму подаются необходимые пор­ ции пресс-материала, а из открытого конца мундштука выдавливаются новые участки профильного изделия. При работе как на термореактивных, так и на термопластичных материалах должна поддерживаться постоянная температура матери­ ального цилиндра и мундштука, для чего могут быть использованы различные методы термостатирования. Зоны загрузочного отвер­ стия камеры 3 и нижнего отверстия бункера 13 должны охлаждаться во избежание образования пробки и прилипания ее к плунжеру. Как уже было сказано, имеются вертикальные конструкции про­ фильных прессов. На рис. 4.33 приведена схема линии для производства трубок из фторопласта Ф-4Д. Линия предназначена для производства сырых или спеченных трубок диаметром 0,3—10 мм. Паста из эмульси­ онного политетрафторэтилена и бензина таблетируется на гидравличе­ ской таблеточной машине 3. 115

Рис. 4.32. Схема пресс-формы для профильного прессования: 1 — фланец крепления плунжера; 2 — плунжер; 3 — загрузочная камера; 4 — штуцер для подвода охлаждающей воды; 5 — дорнодержатель; 6 — электрообогрев; 7 — матрица; 8 — дорн; 9 — мундштук; 10 — фланец матрицы; 11 — обойма; 12 — каналы охлаждения; 13. бункер

Рис. 4.33. Схема установки на базе вертикального пресса для профильного прессования: 1 — пульт управления; 2 — пресс; 3 — таблеточная машина; 4 — вакуумная установка; 5 — сушильная камера; 6 — печь для термообработки; 7 — приемный стол; 8 — намоточное устройство; 9 — калорифер; 10 — вентилятор 116

Трубка формируется из таблетированного материала на вертикаль­ ном профильном прессе 2. Сушка сырой трубки производится горячим воздухом в сушильной камере 5, а затем фторопласт спекается в печи 6. Летучие продукты из трубок отсасываются через формующий инстру­ мент вакуумной установкой 4. При производстве сырой трубки печь для спекания отключают.

4.3.10. Револьверные прессы-автоматы По методу перемещения сырья и готовых изделий различают авто­ матические прессовые линии с периодическим (циклическим) и непре­ рывным перемещением. В первом случае транспортное движение заготовки от одного агре­ гата линии к другому осуществляется с остановками на время выпол­ нения технологической операции. В простейшем случае, при едином темпе работы всех агрегатов линии, это предопределяет равенство про­ должительности рабочего цикла всех машин, входящих в линию. Про­ должительность цикла (такта линии) определяется временем выпол­ нения наиболее длительной операции с учетом времени перемещения объекта обработки из одной позиции в другую. К подобным агрегатам относятся револьверные прессовые линии. Во втором случае операции технологического процесса совмещаются с непрерывным транспортным движением сырья, изделий и рабочих органов машин. Это позволяет технологические операции выполнять независимо от транспортного перемещения, что приводит к увеличе­ нию производительности таких агрегатов. По этому принципу рабо­ тают роторные прессовые линии. Как уже говорилось в разделе 4.3.5, при прессовании реактопла­ стов время выдержки материала в пресс-форме, как правило, значи­ тельно больше, чем время, необходимое на загрузку материала в форму и на съем готового изделия. В таких условиях целесообразно иметь мно­ гопозиционный пресс, обслуживаемый одним загрузочным и одним съемным устройствами. Многопозиционные прессы имеют высокую производительность и легче поддаются полной автоматизации, чем однопозиционные. Одним из видов многопозиционных прессов явля­ ются револьверные прессы, которые состоят из нескольких прессэлементов, расположенных по окружности на вращающемся роторе. На каждом пресс-элементе установлена своя пресс-форма. Неподвиж­ ные дозирующее и съемное устройства расположены на станине рядом с ротором. Осуществляется периодическое вращение ротора, при этом ротор поворачивается на угол а = 360/п, где п — число позиций или пресс-элементов. Каждый из пресс-элементов проходит последова­ тельно позиции: загрузки пресс-порошка, замыкания форм, подпрес­ совки, выдержки под давлением (обычно занимает несколько пози­ ций), размыкания форм, съема изделий, очистки форм. Размыкание формы, съем изделия и очистка формы могут произво­ диться на одной или нескольких позициях. Каждый из прессэлементов 117

может быть оборудован своим силовым цилиндром (см. рис. 4.34) или прессование обеспечивается одним на весь пресс силовым цилиндром, а удержание формы в замкнутом состоянии обеспечивается гидравли­ ческим запорным устройством (см. рис. 4.35). На револьверных прес­ сах обычно устанавливают одногнездные или многогнездные прессформы. При применении таких форм снижается необходимое давление прессования, создается более равномерное температурное поле в прессформе, облегчается нагрев ее и контроль температуры. В результате улучшается внешний вид изделия, повышается точность его размеров, сокращается расход прессовочного материала, уменьшается трудоем­ кость изготовления пресс-форм и увеличивается срок их службы. Некоторые конструкции револьверных прессов позволяют прессо­ вать изделия с резьбой и свинчивать готовые изделия в автоматиче­ ском режиме. В зависимости от принятой конструкции револьверные прессы могут работать на гранулированном порошке, на таблетках или заготовках, полученных на червячном пластикаторе. На рис. 4.34 показана схема десятипозиционного револьверного пресса для прессования изделий с резьбой. Ротор пресса включает в себя десять рабочих позиций, каждая из которых представляет собой компактный гидравлический пресс с нижним расположением рабо­ чего цилиндра. Усилие прессования передается на формодержатель и установленную на нем матрицу 1, а пуансон 5 неподвижно закреплен на верхней части ротора.

Рис. 4.34. Схема револьверного пресса-автомата с гидроцилиндром на каждом из пресс-элементов

В позиции I с помощью объемного дозатора, лотка 4 и воронки 3, установленных около ротора, производится загрузка пресспорошка 2 в матрицу. В позиции II начинается смыкание прессформы и прессо­ вание. За время перемещения прессуемого материала из позиции III 118

в позицию VIII материал переходит в нерастворимое, неплавкое состо­ яние. В позиции IX форма раскрывается, причем изделие 8 достается на пуансоне 5. В позиции X свинчивающее устройство 6, снабженное приводом 7, подходит к пуансону и свинчивает с него готовое изделие, которое сбрасывается в бункер. На рис. 4.35 показана схема многопозиционного револьверного пресса, имеющего один силовой и один выталкивающий цилиндры и гидравлические запорные устройства, количество которых соответ­ ствует числу позиций.

Рис. 4.35. Схема револьверного пресса с одним рабочим гидроцилиндром При создании этого пресса учитывалось, что усилие прессования, необходимое для заполнения пресс-формы прессуемым материалом, примерно в десять раз больше, чем усилие, которое необходимо для удержания формы в замкнутом состоянии в период отверждения мате­ риала. Ротор 10 поворачивается вокруг вертикальной колонны 6 специаль­ ным гидравлическим цилиндром и храповиком (на рисунке не пока­ заны). На роторе имеется п позиций, состоящих из пресс-инструмента, формодержателя 3, который приводится в движение с помощью диф­ ференциального плунжера запорного устройства 11. После загрузки пресс-материала в открытую пресс-форму ротор поворачивается на угол а = 360/п. Плоский золотник 12 соединяет полость Б запор­ ного устройства с магистралью высокого давления, и матрица 2 под­ нимается до смыкания с пуансоном 1. В третьей позиции происходит подпрессовка. При переходе в четвертую позицию ось пресс-элемента 119

совпадает с осью рабочего цилиндра 5. При поступлении жидкости высокого давления в полость Г рабочий плунжер 4 давит на выступаю­ щий из ротора шток формодержателя и производит прессование. Для удержания пресс-формы в закрытом состоянии полость Б запор­ ного устройства находится под высоким давлением, а полость А сое­ диняется со сливом. Затем давление подается в полость В, плунжер 4 отводится в нижнее положение, а ротор совершает очередной поворот. Отверждение пресс-материала происходит в замкнутой форме. В последней позиции форма открывается, плунжер 8 гидроцилин­ дра выталкивателя 7 поднимается и при помощи выталкивающей системы 9 производит выталкивание изделия. 4.3.11. Роторные прессы-автоматы

Как уже было сказано, в отличие от револьверных прессов роторы этих агрегатов постоянно вращаются. Роторная линия имеет несколько рабочих роторов, последовательно осуществляющих технологические операции (таблетирование, нагрев таблеток ТВЧ, прессование изделия и механическую обработку готовых изделий, выгрузку изделий), а также транспортные роторы с захватами для передачи прессуемого изделия с одной позиции на другую. Готовое изделие выдается через определен­ ный промежуток времени, в течение которого ротор поворачивается для смены очередного инструмента, независимо от времени, необходимого для выполнения технологического процесса. В роторной линии опера­ ции различной длительности введены в единый темп потока. Роторная автоматическая линия (рис. 4.36) состоит из пяти рабочих роторов (дозирования 3, таблетирования 1, нагревания таблеток ТВЧ 8, прессования 9, механической обработки 11), транспортного ротора 10 и разгрузочного ротора 12. Роторы вращаются от главного 4 и вспо­ могательного 6 электродвигателей через клиноременные передачи 5 и зубчатую передачу 7. Гидравлические приводы включают в себя насосы высокого и низкого давлений, бак для масла с коммуникаци­ ями, золотники управления и фильтры. Материал из бункера 2 попа­ дает в ротор дозирования, который имеет четыре объемные полости для отмеривания порции порошков. Для уплотнения порошка и стабилизации массы порций диску ротора дополнительно сообщается вибрация. Далее порция порошка попадает в ротор таблетирования, который состоит из вала, барабанов со штоками и блок-держателей с установ­ ленными на них четырьмя блоками. Блок таблетирования имеет ком­ плект рабочего инструмента, заключенного в едином корпусе. Рабочие ходы инструментов при таблетировании совершаются от гидравличе­ ского привода, а обратные ходы — от радиальных копиров, установлен­ ных в барабанах ротора. Готовые таблетки поступают в ротор нагревания ТВЧ, представля­ ющий собой вращающийся диск с неподвижно закрепленной над ним пластиной, подключенной к генератору ТВЧ. Таблетки, подаваемые 120

на диск при его вращении, нагреваются до определенной температуры и затем попадают в ротор прессования (рис. 4.37), который состоит из барабана 14 с дисками 5 и 12. На верхнем диске укреплены гидроци­ линдры 11 с поршнями 10. На нижнем диске установлены блоки прес­ сования, представляющие собой корпус 6, в котором смонтированы матрица 7, нижний 4 и верхний 9 пуансоны и нагреватели 8.

Рис. 4.36. Схема роторной автоматической линии

Рис. 4.37. Схема ротора прессования 121

В нижней части ротора имеется кольцо 17 с ползуном 16 и стойкой 78 с радиальным копиром, управляющим движением пуансона 4. Ротор смонтирован на неподвижной колонне 13 и опирается на три ролика 1. В движение ротор приводится от электродвигателя через шестерню 19. Электроэнергия для нагревания пресс-формы подводится к блокам прессования через неподвижные кольцевые шины 3 и щетки 2. Темпе­ ратура пресс-формы контролируется и регулируется термопарой 75. Отпрессованное изделие выталкивается нижним пуансоном и транс­ портным ротором 10 (см. рис. 4.36) и подается в ротор снятия заусен­ цев, где шток поднимает изделие к вибрирующему инструменту. После снятия заусенцев изделие передается на другой транспортный ротор 5, завершающий линию. Транспортные роторы состоят из вращающихся барабанов с укрепленными на них несущими органами — клещами, предназначенными для переноса изделий с одного рабочего ротора на другой. На рис. 4.38 показана схема расположения роторов в роторной авто­ матической линии. 7

6

5

Рис. 4.38. Схема расположения роторов в роторной автоматической линии: 7 — дозирующий ротор; 2 — таблетирующий ротор; 3 — прессующий ротор; 4 — ротор механической обработки; 5 — ротор выгрузки готовых изделий; 6 — транспортный ротор; 7 — ротор для нагрева таблеток токами высокой частоты

Рассмотрим конструкцию еще одной автоматической роторной линии для прессования изделий из реактопластов (рис. 4.39). Она состоит из шести технологических и трех транспортных роторов. В роторе 7 осуществляется дозирование пресс-порошка, в роторе 2 прессуются таблетки заданной массы. В роторе 3 таблетки подогрева­ ются до 80—90 °C, что позволяет сократить время горячего прессова­ ния изделий. Прессование осуществляется в роторе 4, откуда детали при помощи транспортного ротора 5 перемещаются в первый ротор механической обработки б. Далее отпрессованные изделия транспорт­ ным ротором 7 передаются на второй ротор механической обработки 8. Готовые детали удаляются транспортным ротором 9 (на рис. 4.39, а не виден). В более поздней, модернизированной линии оставлен лишь один ротор механической обработки деталей и, таким образом, число тех­ 122

нологических роторов сокращено до пяти, а число транспортных — ДО двух.

Рис. 4.39. Схема автоматической роторной линии для прессования изделий из реактопластов: а — общий вид; б — схема расположения роторов

Ротор дозирования (рис. 4.40) отделяет заданную дозу порошка объ­ емным методом. Диск 2, вращающийся с постоянной угловой скоро­ стью, имеет четыре позиции, в которых установлены калиброванные по внутреннему диаметру втулки. Диск 2 приводится во вращение от зубчатого колеса 6 через полый вал 5 и поводок 4 с роликом, уста­ новленным в пазу диска. Диск 2 расположен между двумя неподвиж­ ными дисками 1 и 3; при прохождении позиции с втулкой под ворон­ кой с порошком последний заполняет полость втулки. Для повышения стабильности дозы порошка вращающемуся дозирующему диску 2 придается небольшое возвратно-поступательное движение, которое создается эксцентриком 7. Эксцентрик установлен на центральном валу 8, имеющем независимый привод. Доза порошка через отверстие в диске 3 по лотку поступает в ротор таблетирования. В данном случае передача объекта обработки с одного технологического ротора на дру­ гой осуществляется непосредственно, т. е. без транспортного ротора. Ротор таблетирования (рис. 4.41) представляет собой конструкцию, состоящую из вала, на котором закреплены блокодержатели, а также верхние и нижние барабаны с ползунами и блоками гидравлических цилиндров. 123

Рис. 4.40. Схема ротора дозирования

Рис. 4.41. Схема ротора таблетирования 124

Ротор имеет четыре инструментальных блока и соответствующее число верхних и нижних ползунов и гидроцилиндров. Блок таблетиро­ вания сменный; он состоит из корпуса, матрицы, верхнего и нижнего пуансонов. Таблетка 5 прессуется верхним пуансоном 4 под давлением 70 МПа. Перемещение верхнего пуансона вниз при холостом ходе (до начала прессования порошка) осуществляется при помощи неподвижного цилиндрического пазового кулачка 2 (копира), охватывающего барабан с верхними ползунами. В пазу кулачка расположен ролик 3 ползуна; при переносном движении ползуна (вращении вместе с ротором) он пере­ мещается относительно ротора вертикально. Аналогично осуществля­ ется вертикальное перемещение нижних ползунов при помощи ролика 9 и неподвижного кулачка 8. Верхние и нижние ползуны соединены соот­ ветственно с верхними и нижними пуансонами и перемещают их. Прессование порошка, связанное с преодолением значительных технологических сопротивлений, осуществляется системой гидрав­ лических цилиндров 1, при помощи которых перемещаются верхние ползуны и пуансоны на участке прессования. Нижний пуансон 6 при прессовании опирается на шайбу 7, благодаря чему усилие прессования на нижний кулачок не передается. Система привода линии позволяет использовать гидроцилиндры только на участках прессования, а холостые перемещения ползунов осу­ ществлять с помощью кулачковых механизмов с большими скоростями. На схеме развертки ротора таблетирования по начальной окружно­ сти (рис. 4.42) показаны характерные положения верхних и нижних ползунов и соответствующих рабочих органов за кинематический цикл.

Рис. 4.42. Развертка ротора таблетирования: 1 — нижний пуансон; 2 — верхний пуансон; 3 — верхний копир; 4 — ось ролика верхнего ползуна; 5 — гидроцилиндр; 6 — таблетка; 7 — опорная шайба; 8 — нижний копир; 9 — ось ролика нижнего ползуна 125

В роторе нагрева таблеток подогрев последних осуществляется токами высокой частоты. Устройство подогрева состоит из вращаю­ щегося диска с приемниками и неподвижной пластины, которые обра­ зуют конденсатор. Неподвижная пластина подключается к генератору ТВЧ, а вращающийся диск заземлен. Таблетки на следующую операцию (в ротор прессования) передаются с помощью толкателя. Ротор прессования (рис. 4.43) представляет собой литой барабан 5, на котором закреплены блокодержатель 12 и диск 2 с гидравлическими цилиндрами 3. Ротор установлен на колонне 4 и опирается на ролики. Вращение ротора осуществляется при помощи зубчатого колеса 16.

Рис. 4.43. Схема ротора прессования

Блок прессования изделий состоит из матрицы 10, нижнего 13 и верхнего 6 пуансонов и встроенных в них нагревателей 9 и 7. Эле­ менты блока заключены в корпус 11. Верхний пуансон получает дви­ жение от гидроцилиндра 3. Масло под давлением поступает в гидроци­ линдр через торцовый дисковый распределитель 1. Электроэнергия к нагревательным элементам подводится через кольцевые шины 14 и щетки 15. Температура пресс-форм контролиру­ ется и регулируется при помощи термопар 8. Нагреватели 9 пресс-форм имеют независимую систему контроля и регулирования температуры. 126

Перемещение верхних пуансонов, прессование и подпрессовка, выдержка под давлением прессуемого изделия осуществляются от гидроцилиндра; перемещение нижнего пуансона при выталкивании изделия из пресс-формы происходит под воздействием ползуна 17, кото­ рый имеет кулачковый привод, аналогичный приводу в роторе табле­ тирования. Следует отметить, что описанная конструкция ротора прессова­ ния позволяет замкнуть технологические усилия внутри ротора, т. е. не передавать их на станину, на которой расположен ротор. Это в пол­ ной мере относится и к ротору таблетирования. Транспортный ротор (рис. 4.44) осуществляет съем и перемещение объектов обработки от ротора прессования к ротору снятия заусенцев (механической обработки). Ротор состоит из захватов 1, перемещение которых производится при помощи пневмоцилиндра 2, фиксирую­ щих штырей 3, ползунов 4 и 7, цилиндрического кулачка (копира) 5 и вала 6. Захваты имеют резиновую обкладку, предохраняющую детали от механических повреждений.

Рис. 4.44. Схема транспортного ротора На участке съема детали захват на протяжении некоторого угла поворота ротора сопровождает передаваемую деталь. Перед захва­ том детали пневмоцилиндр 2 вместе с ползуном 4 под воздействием копира 5 опускаются вниз; положение пневмоцилиндра по отношению к блоку прессования фиксируется штырями 3. Связь пневмоцилиндра с ползуном 4 нежесткая: пневмоцилиндр может смещаться в радиаль­ ном направлении и поворачиваться вокруг вертикальной оси 8. После захвата изделия ползун поднимается при помощи копира 5. После того как отпрессованное изделие вышло из рабочей зоны ротора прессования, оно вместе с захватом опускается до уровня, на котором происходит передача детали на ротор механической обработки. Для предотвращения поломок пресс-инструмента ротора прессо­ вания в автоматической роторной линии имеется специальная бло­ кирующая система. Если изделие осталось в матрице пресс-формы, 127

т. е. отсутствует в захвате, то фотоэлемент дает импульс на толкатель и подогретая таблетка в соответствующую матрицу не подается. Ротор механической обработки (снятия заусенцев) позволяет обра­ батывать отпрессованные изделия типа штепсельной розетки, удаляя заусенцы в донышке и на кромке. Инструментальный блок этого ротора (рис. 4.45) состоит из ниж­ него штока 3, блока оправки 8 с зубчатым колесом, укрепленного в блокодержателе 4 на полом валу 9, невращающейся фрезы 2, резцедержа­ теля 6 и резца 5.

Рис. 4.45. Схема инструментального блока ротора механической обработки Для снятия заусенцев изделие штоком 3 подводится к вращаю­ щейся головке 1 (привод вращения головки на рис. 4.45 не показан). При соприкосновении с головкой изделие начинает вращаться; шток фрезы 2 подходит к копиру 13, и ролик, установленный на конце штока, огибая копир, опускает фрезу до соприкосновения с изделием. Проис­ ходит фрезерование заусенцев. После прохождения копира фреза под действием пружины 12 возвращается в исходное верхнее положение. Заусенцы на внешней кромке изделия снимаются резцом 5, кото­ рый вместе с резцедержателем 6 подводится к изделию при повороте 128

последнего вокруг оси 7. Поворот производится при помощи радиаль­ ного копира 10, воздействующего через ролик на рычаг 11 оси резце­ держателя.

4.4. Механические прессы-автоматы Работу механического пресса-автомата рассмотрим на примере четырехпозиционного пресса. Пресс предназначен для прессования резьбовых изделий массой до 5 г из фенолоформальдегидных пресспорошков и аминопластов. Прессование изделий производится одно­ временно на четырех пресс-элементах, каждый из которых представ­ ляет собой по существу отдельный пресс-автомат усилием 20 кН. Все механизмы смонтированы на общей станине и имеют общий привод от электродвигателя с самотормозящимся ротором. Наличие у каждого пресс-элемента самостоятельного бункера и сборника готовых изделий позволяет одновременно прессовать четыре разных изделия из разных материалов. Однако в связи с общим приводом режим прессования (кроме температуры) на всех четырех позициях подбирается одинаковый. На рис. 4.46 показан принцип действия механического пресса-автомата на примере одного прессующего элемента. Верхний неподвижный пуансон 1 установлен в резьбовой втулке направляющего цилиндра 3. Матрица 14 при помощи хвостовика и штифта 9 укреплена на прессую­ щем штоке 8. Шток и матрица перемещаются в направляющем цилин­ дре 3. Каждый шток через пакет тарельчатых пружин 7 связан с рамой, которая имеет вертикальное перемещение от рабочих кулачков при­ вода (на рисунке не показаны). Рабочий ход матрицы — 120 мм. Пуан­ сон и матрица обогреваются при помощи элементов сопротивления 2 и 13. Заданная температура поддерживается терморегуляторами. Бла­ годаря кожуху и специальным заслонкам тепло, получаемое обогрева­ телями пресс-формы, направляется на низкотемпературный подогрев и подсушку пресс-порошка перед прессованием. Дозировка пресс-порошка достигается при помощи объемного доза­ тора 15. Настройка дозатора производится винтом 16. Перемещение поршня дозатора и лотка 10, по которому пресс-порошок ссыпается в матрицу, производится рычагом 12. Свинчивание готовых изделий осуществляется вращающимся резиновым диском 4, вал которого 6 при помощи рычага 5 имеет небольшое угловое перемещение. Готовое изделие падает на откидную наклонную заслонку 11, с которой соскаль­ зывает в приемный короб. Вал свинчивающего устройства получает вращение с частотой 160 мин-1 от основного привода через кониче­ ские шестерни. Привод дозирующего устройства и углового перемеще­ ния вала свинчивающих дисков осуществляется рычажной системой, которая управляется кулачком с кинематическим замыканием, приво­ димым в действие также от общего привода. 129

Рис. 4.46. Схема механического пресса-автомата

4.5. Прессы для разделительной штамповки Для производства плоских изделий из полимерных листовых мате­ риалов применяется разделительная штамповка. Разделительной штамповкой осуществляют следующие операции: отрезку; вырубку; пробивку; подрезку; разрезку; обрезку и зачистку. Отрезка характеризуется полным отделением одной части матери­ ала от другой. Вырубка представляет собой полное отделение материала по зам­ кнутому контуру, когда отделяемая часть является изделием. В качестве операции производства плоских изделий вырубка получила наиболь­ шее распространение. Пробивка предназначается для полного отделения одной части мате­ риала от другой по замкнутому контуру для образования отверстий или пазов. При этом отделяемая часть является отходом. Подрезка — операция, в процессе выполнения которой производится неполное (частичное) отделение одной части материала от другой (например, для образования выступов или упоров). 130

Разрезка необходима для разделения одной заготовки или детали на большее их число. Обрезка производится для полного отделения неровных краев, при­ пусков или излишнего материала снаружи или внутри деталей и изде­ лий. Зачистка — полное отделение в штампах небольших припусков или излишков материала после вырубки или пробивки для получения более точных размеров, улучшения чистоты поверхности среза по контуру или стенкам отверстия. Разделительная штамповка состоит из следующих операций: при­ жима заготовки; вырубки изделия из заготовки; выталкивания изделия из штампа; съема отходов заготовки со штампа. Технологический процесс изготовления изделий в зависимости от технико-экономических требований, предъявляемых к производству конкретных деталей (качеству, точности, стоимости), может выпол­ няться следующим образом: — без подогрева материала и инструмента; — без подогрева материала, но с подогревом инструмента; — с подогревом материала, но без подогрева инструмента; — с подогревом материала и инструмента. Для разделительной штамповки плоских изделий из листовых пластмасс может применяться любое прессовое оборудование. Однако по номинальному усилию, величине хода, частоте ходов ползуна, раз­ меру штампового пространства и другим параметрам наиболее подхо­ дят для этой цели кривошипные прессы общего назначения. Принцип действия кривошипного пресса основан на преобразовании вращатель­ ного движения привода в возвратно-поступательное движение ползуна с помощью кривошипно-ползунного механизма. На рис. 4.47 приведены кинематические схемы кривошипных прес­ сов. Эти прессы бывают одностоечными и двухстоечными. В односто­ ечных прессах (рис. 4.47, а) опоры кривошипного вала расположены по одну сторону шатуна, а в двухстоечных (рис. 4.47, б) — по обе его стороны. В прессах с двухсторонним приводом (рис. 4.47, в) зубчатые колеса расположены на обоих концах кривошипного вала. Привод кри­ вошипного пресса осуществляется от электродвигателя через клиноре­ менную и зубчатую передачи на исполнительный механизм. В быстроходных прессах зубчатая передача отсутствует (рис. 4.47, а, г). При включении электродвигателя начинает вращаться часть при­ вода пресса. Для передачи движения ползуну необходимо включить муфту. В кривошипных прессах применяют жесткие (см. рис. 4.47, а) и фрикционные (см. рис. 4.47, б—г) муфты. Кривошипные прессы производятся с усилием от 10 кН и выше. Ход ползуна может быть постоянным и регулируемым. Величина хода зави­ сит от типоразмера пресса; она колеблется от 10 до 600 мм. Под частотой ходов ползуна понимают число непрерывных ходов (ход вниз и вверх) ползуна в минуту. От частоты ходов и величины хода 131

ползуна зависит скорость его перемещения. Максимальной скорости перемещения ползун достигает на половине хода:

Vmax = 0,0525nS, где п — частота ходов ползуна, мин-1; S — ход ползуна, мм [S = = (10 ÷ 600. мм].

Рис. 4.47. Кинематические схемы кривошипных прессов: а — одностоечного; б — двухстоечного; в — с двухсторонним приводом; г — двухстоечного быстроходного; 1 — кривошипный вал; 2 — тормоз; 3 — маховик; 4 — шкив; 5 — электродвигатель; 6 — ползун; 7 — шатун; 8 — зубчатая передача; 9 — муфта Чем ближе находится ползун к нижнему крайнему положению, тем меньше его скорость. Кривошипные прессы общего назначения бывают следующих типов: однокривошипные открытые простого действия; однокривошипные закрытые простого действия; двухкривошипные закрытые простого действия. Наибольшее распространение при разделительной штам­ повке листовых пластмасс имеют однокривошипные прессы. Открытыми называют прессы, в которых имеется свободный доступ в штамповочное пространство с трех сторон — спереди и с боков вдоль фронта. Открытые прессы бывают наклоняемыми и ненаклоняемыми. В качестве примера на рис. 4.48 изображен открытый наклоняемый двухстоечный пресс. Этот пресс имеет изготовленные как одно Целое стойки 2 и сборное основание 1. Стойки можно наклонять на угол до 45° к горизонтали с целью облегчения проведения технологических операций. Наклон стоек выполняют с помощью устройства, представ­ ляющего собой винт 7, при вращении которого перемещается гайка 8, 132

закрепленная на правой стойке. Вращение винта производят вручную рукояткой, вставляемой в отверстие корпуса 6, и храповым механиз­ мом 3. Изменение направления вращения винта 7 (при наклоне или подъеме стоек) осуществляется перестройкой положения «собачки» храпового механизма 3. На кривошипном валу расположены маховик 5 с жесткой муфтой включения и ленточный тормоз 4. Движение от элек­ тродвигателя передается на маховик через клиноременную передачу.

Рис. 4.48. Открытый наклоняемый двухстоечный пресс Прессами закрытого типа называют прессы, в которых в штампо­ вое пространство есть свободный доступ только с двух сторон — спе­ реди и с противоположной стороны в направлении, перпендикулярном фронту. Эти прессы, как правило, имеют большое номинальное усилие и используются лишь при разделительной штамповке особо толстоли­ стовых материалов.

4.6. Основные элементы прессового оборудования 4.6.1. Цилиндры гидравлических прессов

Цилиндры являются одними из основных и наиболее ответственных деталей прессов. Гидроцилиндры работают в сложных условиях нагру­ жения, которые зависят не только от условий работы и конструкции самих цилиндров, но и от конструкции сопряженных с ними деталей. Конструкция цилиндра выбирается в зависимости от величины тре­ буемого усилия, условий работы, вида рабочей жидкости и гидравли­ ческого давления, с которым она подается в гидроцилиндр. Влияют на конструкцию и технологические возможности предприятия — изго­ товителя пресса. Цилиндры бывают поршневые, плунжерные, простые и дифферен­ циальные. 133

Конструкция поршневых цилиндров (рис. 4.49, а) обеспечивает как создание необходимого усилия и рабочее движение поршня 2 с соеди­ ненным с ним штоком 3, так и возвратный ход поршня со штоком. Поршень разделяет цилиндр 7 на две полости: поршневую и штоковую. При поступлении рабочей жидкости под давлением р через отверстие I в поршневой полости создается давление. Одновременно штоковая полость II соединяется со сливом. На поршень начинает действовать сила F = pπD2∕4,

где D — диаметр поршня.

г Рис. 4.49. Схемы цилиндров гидравлических прессов

Сила F обеспечивает рабочее движение поршня со штоком. Возврат­ ный ход поршня и штока происходит после подачи давления рабочей жидкости в штоковую полость через отверстие II и соединения порш­ невой полости со сливом. Усилие на поршне при возвратном ходе суще­ ственно меньше, чем при рабочем, и составляет: F1 = pπ(D2-d2)∕4, где d — диаметр штока. Отличаются не только усилия при прямом и возвратном ходах, но и скорости передвижения поршня со штоком. Это объясняется тем, что при одной и той же производительности насоса, подающего рабо­ чую жидкость, объемы поршневой и штоковой полостей отличаются друг от друга. 134

Конструкция поршневого цилиндра предусматривает наличие двух видов уплотнений: неподвижного 4 в месте сопряжения цилиндра с подвижным штоком и подвижного 5 в месте сопряжения поршня с цилиндром. Цилиндры поршневого типа можно подразделить на простые (рис. 4.49, б) и дифференциальные (см. рис. 4.49, α). В простых цилин­ драх поршень имеет одинаковые скорости прямого и обратного ходов и снабжен двухсторонним штоком. В дифференциальных цилиндрах, как было показано выше, поршень развивает различные усилия и ско­ рости при прямом и обратном ходах. Плунжерные цилиндры (рис. 4.49, в) имеют более простую конструк­ цию. В них давление рабочей жидкости, поступающей через отверстие I, воспринимается плунжером 6, имеющим меньший диаметр, чем внутренний диаметр гидроцилиндра 1. Такая конструкция позволяет существенно упростить обработку внутренней поверхности цилиндра и иметь вместо двух видов уплотнений только один — неподвижное уплотнение 4 в месте сопряжения цилиндра с подвижным плунжером. Существенным недостатком плунжерных цилиндров является отсут­ ствие обратного хода. Для осуществления обратного хода при исполь­ зовании плунжерных цилиндров приходится устанавливать так назы­ ваемые возвратные цилиндры (рис. 4.49, г). Основное усилие и ход подвижной плиты 13 осуществляется плунжерным цилиндром 8. Воз­ вратный ход обеспечивается двумя возвратными цилиндрами 7, распо­ ложенными симметрично относительно рабочего цилиндра 8. Полость цилиндра 8 соединяется со сливом, а в полости цилиндров 7 под давле­ нием подается рабочая жидкость. Возвратные цилиндры должны пре­ одолевать только силы тяжести и трения, возникающие при движении вверх, поэтому диаметры их плунжеров значительно меньше, чем диа­ метр плунжера рабочего цилиндра, и, следовательно, при той же самой производительности насоса скорость обратного хода всегда выше, чем рабочего. На прессах разной конструкции устанавливается различное число возвратных цилиндров. Возвратные цилиндры могут вообще отсутствовать. Так, в прессах нижнего давления с массивными подвижными частями и небольшим возвратным ходом обратное перемещение осуществляется за счет сил тяжести после соединения полости рабочего плунжерного цилиндра со сливом. При необходимости в прессах используются ступенчатые цилин­ дры (рис. 4.49, ∂). В этих цилиндрах реализуется несколько скоростей за счет комбинации дифференциальных поршней с плунжерами. Уско­ ренное движение происходит при подаче под давлением рабочей жид­ кости через отверстие I в полость штока 12 поршня 10. Эта полость рабо­ тает как подвижный гидроцилиндр, в котором размещен неподвижный плунжер 9. при создании в его полости давления он начинает движение вправо. Благодаря небольшому внутреннему диаметру полости реа­ лизуется высокая скорость перемещения штока 12 при сравнительно 135

небольшом усилии. По мере продвижения поршня 10 через отверстие II происходит заполнение поршневой полости цилиндра 11. На конеч­ ной стадии передвижения штока 12 необходимо снизить скорость его движения и создать большое усилие. Для этого в поршневой полости гидроцилиндра 11 создается давление рабочей жидкости, скорость дви­ жения поршня со штоком снижается, а рабочее усилие возрастает. Для возврата поршня со штоком в первоначальное положение рабочая жид­ кость под давлением подается через отверстие III в штоковую полость цилиндра 11, а его поршневая полость соединяется со сливом. Конструкцию гидроцилиндра плунжерного типа рассмотрим на при­ мере главного рабочего цилиндра, установленного на рамном прессе верхнего давления с верхним расположением гидробака (рис. 4.50). Обычно цилиндр изготавливается кольцевым сверлением из стальной поковки. В связи с отсутствием подвижных уплотнений, находящихся в контакте с внутренней стенкой цилиндра, отпадает необходимость в шлифовке и упрочнении его внутренней поверхности. Цилиндр 2 крепится в верхней неподвижной поперечине (архитраве) при помощи промежуточной втулки 5 и гайки 1. Контакт плунжера с цилиндром достигается при помощи направляющей втулки 4. Уплотнение плун­ жера 3 осуществляется манжетой 14. Манжета и направляющая втулка удерживаются втулкой 6 и фланцем 7. Во втулке 6 установлены упругие резиновые кольца 11, 13 для предотвращения утечек рабочей жидкости по плунжеру.

Рис. 4.50. Гидроцилиндр плунжерного типа 136

Масло, просочившееся через уплотнение 14, отводится через отвер­ стие 12. Это отверстие, связанное трубкой со сливным баком, служит также предохранительным устройством. В случае, если не сработает конечный выключатель, фиксирующий крайнее нижнее положение плиты и плунжера, то плунжер, опустившись ниже манжеты 14, откроет путь маслу из рабочего цилиндра на слив. Уплотнение 15 обеспечивает герметичность соединения верхнего гидробака с внешней поверхностью цилиндра. Крепление рабочей плиты (ползуна) к плунжеру достигается при помощи винта 8 и шайбы 9. При транспортировке и ремонте пресса плунжер можно фикси­ ровать в цилиндре в верхнем положении при помощи винта 10. При работе пресса хвостовик винта 10 не должен выступать из фланца 7 и касаться плунжера. На верхнем торце цилиндра закреплены шпильками корпус клапана наполнения и (с помощью разрезных колец) бак наполнения. В качестве примера конструкции гидроцилиндра поршневого типа рассмотрим цилиндр выталкивания рамного пресса верхнего давления (рис. 4.51). Он представляет собой сквозной цилиндр 4 с крышкой 1, уплотняемой манжетой 13. В цилиндре расположен составной диффе­ ренциальный поршень, состоящий из штока 3, на котором при помощи гайки 12 закреплен поршень 2. Уплотнение обеспечивается резиновым упругим кольцом 11 и манжетами 9. Направляющая втулка 6 крепится гайкой 7 и уплотняется резиновым кольцом 10.

Рис. 4.51. Гидроцилиндр поршневого типа 137

Шайба 8 служит для закрепления штанги механизма конечных выключателей. Выталкивающий цилиндр крепится в станине гайкой 5. Рабочие жидкости, применяемые для привода гидравлических цилиндров, должны хорошо работать в широком диапазоне давлений, скоростей и температур. Жидкость не должна вызывать коррозии, содержать или поглощать значительное количество воздуха, а также образовывать пары или пену. Она должна обладать хорошей смазыва­ ющей способностью и оптимальной для данных условий работы вязко­ стью, с тем чтобы избежать утечек или чрезмерных потерь на трение. В качестве рабочей жидкости обычно применяются очищенные минеральные масла. Масло не должно содержать примесей, выделя­ ющих омыляемые жиры, кислоты и асфальтены. При нагреве масла до рабочей температуры оно не должно коксоваться. Минераль­ ные масла начинают заметно испаряться при температуре, которая на 80 градусов ниже температуры их вспышки, поэтому во избежание парообразования следует применять масло, имеющее температуру вспышки на 80—100 oC выше рабочей температуры. Как уже говорилось, в некоторых типах современных прессов верхнего давления, в которых давление жидкости в наполнительной системе равно атмосферному, гидробак располагается непосредственно над рабочим цилиндром, а между баком и цилиндром устанавливается клапан наполнения. Этот клапан при холостом и возвратном ходах под­ вижной плиты соединяет рабочий цилиндр с наполнительным баком. При холостом ходе жидкость поступает из наполнительного бака в рабочий цилиндр, а при возвратном — наоборот. Клапан наполнения, показанный на рис. 4.52, устанавливается в наполнительном баке вертикально и крепится шпильками к рабо­ чему цилиндру пресса. Открытие клапана 6 осуществляется за счет давления жидкости на поршень 2. Для подвода жидкости используется отверстие 4. Разгрузочный клапан 3 обеспечивает плавную разгрузку рабочего цилиндра от высокого давления после совершения рабочего хода. Через отверстие 5 происходит слив жидкости в момент снижения давления в рабочем цилиндре. Закрывается наполнительный клапан с помощью пружины 1. При высоких скоростях движения жидкости в рабочих органах машины, маленьких выдержках под давлением и надежных уплотне­ ниях целесообразно применять менее вязкие жидкости, так как потери энергии на возмещение утечек будут меньше, чем потери на преодоле­ ние сил трения, которые при вязких маслах на больших скоростях резко возрастают. Необходимо помнить, что масло, применяемое для приводов гидро­ цилиндров, под влиянием температуры и давления изменяет свою плотность и объем. Упругая деформация (сжимаемость) жидкости для гидравлических систем является отрицательным фактором, так как ввиду практической необратимости энергии, расходуемой на сжатие жидкостей, общий КПД приводов понижается. Сжимаемость жидко­ 138

сти оценивается коэффициентом относительного объемного сжатия β, который характеризует изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления:

AV ApV1 ’ где V1 — начальный объем жидкости при атмосферном давлении; Ap — приращение давления, действующего на жидкость; AV — изменение объема жидкости при изменении давления на Ар.

Рис. 4.52. Клапан наполнения

Величина, обратная β, называется объемным модулем упругости жидкости при всестороннем сжатии (Е = l∕β). Объемный модуль упругости E при 20 0C и атмосферном давлении для минеральных масел, используемых в гидросистемах прессов, составляет 1350—1750 МПа. Очистка рабочей жидкости служит для продления срока службы уплотнений, цилиндров, а также распределительных устройств прессов. Как правило, очистка производится отстаиванием и фильтрацией. Наи­ большее распространение для фильтрации масел получили пластинча­ тые фильтры. Для очистки от мельчайших примесей ферромагнитных частиц пользуются магнитными фильтрами. Уплотнения являются необходимой и ответственной частью всех гидравлических прессов. Они должны исключать или сводить к мини­ муму утечки рабочей жидкости и предотвращать попадание во вну­ треннюю полость гидравлических систем пыли, абразивное действие 139

которой может привести к преждевременному износу трущихся поверх­ ностей рабочих органов. Уплотнительные устройства делятся на уплотнения неподвижных деталей и уплотнения подвижных соединений. В свою очередь, устрой­ ства для уплотнения подвижных соединений делятся на уплотнения деталей вращения и уплотнения деталей с возвратно-поступатель­ ным движением. По характеру взаимодействия с уплотняемыми деталями все уплот­ нения делятся на контактные и бесконтактные. Контактные уплотне­ ния осуществляют герметизацию за счет плотного прилегания к поверх­ ностям сопрягаемых деталей. Контактные уплотнения (сальниковые, манжетные, упругими разрезными и неразрезными кольцами и др.) обеспечивают высокую надежность герметизации. Однако при движе­ нии в связи с трением происходит износ как уплотнений, так и герме­ тизируемых поверхностей, что ограничивает срок их службы. Кроме того, на преодоление сил трения расходуется значительная энергия. При работе бесконтактных уплотнений жидкость запирается без непосредственного контакта уплотняющих элементов с перемещаю­ щимися деталями. Для изготовления большинства уплотнений требуются специали­ зированное оборудование и оснастка, которые окупаются только при массовом изготовлении уплотнений. В целях обеспечения взаимоза­ меняемости все основные типоразмеры и конструктивные параметры уплотнений стандартизованы. Ниже рассмотрим уплотнения, нашедшие наибольшее применение в прессостроении. Металлические поршневые кольца являются наиболее простыми и долговечными из применяемых уплотнений между внутренней поверхностью цилиндра и поршнем, совершающем возвратно-посту­ пательное движение (рис. 4.53).

в

Рис. 4.53. Схемы уплотнений с помощью металлических разрезных поршневых колец

Схема действия такого уплотнения показана на рис. 4.54. Кольцо из положения, представленного на рис. 4.54, а, под действием давления жидкости устанавливается в одно из рабочих положений (см. рис. 4.54, бив). Наружный диаметр кольца всегда несколько больше внутрен­ него диаметра цилиндра. При монтаже кольцо, в котором обязательно 140

предусматривается разрез (замок), сжимается, а после монтажа за счет своей упругости плотно прижимается к внутренней поверхности цилиндра. К силам упругости прибавляется сила, возникающая при давлении рабочей жидкости на внутреннюю (нижнюю) поверхность кольца. Кроме того, давление рабочей жидкости обеспечивает плотное прижатие кольца к боковой поверхности канавки. ∆p =Pi-P2

Др

Др

Рис. 4.54. Схема работы металлических разрезных поршневых колец

Поршневые кольца применяются для уплотнения как поршней, так и штоков, причем в последнем случае они должны за счет упругости плотно охватывать шток (см. рис. 4.53, а). К недостаткам металлических поршневых колец относится необхо­ димость соблюдения жестких допусков на изготовление сопрягаемых деталей, а также чувствительность к нарушениям качества и точности обработки. Кроме того, эти уплотнения не обеспечивают полной гер­ метизации. Наиболее широко эти кольца применяются для уплотнения порш­ ней силовых цилиндров. В уплотнительном узле применяется одно (см. рис. 4.53, б) или несколько колец (см. рис. 4.53, в), однако герметиза­ ция осуществляется в основном первым кольцом (со стороны действия давления). Опыт показывает, что второе уплотнительное кольцо со ступен­ чатым замком снижает утечки примерно на 15 %. Однако при при­ менении нескольких колец удлиняется межремонтный срок уплотни­ тельного узла, так как по мере износа первого со стороны давления, а следовательно, более нагруженного кольца в работу вступают после­ дующие кольца. Поршневые кольца изготавливаются из кованой бронзы, перлитного чугуна с высокими механическими и антифрикционными свойствами и стали. В некоторых случаях применяют графит или фторопласт. Жела­ тельно подобрать материал колец так, чтобы он составлял с цилиндром и поршнем антифрикционную пару. Применяют прямой (рис. 4.55, а), косой (рис. 4.55, б) и ступенча­ тый (рис. 4.55, в) стыки (замки). Прямой и косой стыки применяют при средних давлениях (прямой — до 5 МПа, косой под углом 60° — от 5 до 20 МПа), а ступенчатый — при более высоких давлениях. Бла­ годаря тому что в ступенчатом замке (см. рис. 4.55, в) стыкующиеся ступенчатые концы кольца перекрывают друг друга, уменьшается стыковой зазор и соответственно повышается герметичность соеди­ нения. Часто одну из сопряженных поверхностей в замке выполняют 141

плоской (параллельной торцовой поверхности), а вторую — выпуклой (рис. 4.55, г), поэтому повышается давление в стыке кольца под нагруз­ кой, что способствует повышению герметичности. Кольца со ступенчатым замком практически можно применять при диаметрах поршня не менее 35 мм. При меньших диаметрах поршня кольца с этим стыком не используют из-за трудности монтажа.

Рис. 4.55. Схемы замков металлических разрезных поршневых колец

Величина стыкового зазора/ + /0 кольца в свободном его состоянии (см. рис. 4.55, а) и величина/, на которую этот зазор уменьшится при монтаже поршня с кольцом в цилиндр, определяют напряжение кольца в сжатом положении и при надевании его на поршень. Для практиче­ ских расчетов можно пользоваться величиной ∕ = 3,4t, где t — радиальная толщина кольца. При выборе ширины кольца может быть использована зависимость b при вакуумном формовании с предварительной пневматической вытяжкой

V vp =V" vP •

Величина Voτp — объем воздуха, идущего на отрыв изделия от формы (при съеме изделия). Количество воздуха, идущего на пневматическое формование, равно объему формы и верхней пневмокамеры, создающей над формой зам­ кнутое пространство. Объем воздуха, идущего на предварительную пневматическую вытяжку заготовки, можно предварительно рассчи­ тать как Vp"=(2÷2,5)Vφ.

(5.13)

Количество воздуха, идущего на пневматический привод подвиж­ ных частей, рассчитывается как сумма объемов воздуха, расходуемого в каждом из приводных цилиндров. Теоретическое значение работы, затрачиваемой на формование изделия, может определяться исходя из двух соображений. Во-первых, можно подсчитать работу, затрачиваемую на создание формующего перепада давления в определенном объеме, и, во-вторых, определить работу, идущую на предварительную деформацию термопласта. В первом случае теоретическая работа будет равна сумме мгновен­ ных значений произведения давления формования на объем воздуха, вытесненного из формы (при вакуум-формовании). Объем вытеснен­ ного воздуха меняется от нуля до полного объема формы, а мгновенное значение давления формования определяется по формуле (5.4). Работу формования можно представить как

А = ∫ PodVφ = ∫ κv^~Po^~Pivi dV J ° φ J Vφ(l+20-½ φ

(5.14)

Решая это уравнение, получим:

A = Vφ Pi-(Pi-Kp0)In

К

.

(5.15)

При p0 — 0 и p1 - 0,1 МПа ( 1+2 A = 0,IV4 I-In---κ 236

(5.16)

Приведенная методика определения работы, затрачиваемой на фор­ мование изделий, не позволяет учитывать физико-механические осо­ бенности конкретного перерабатываемого материала. Но так как на одном типе машин могут перерабатываться различные термопласты (и уж во всяком случае, различные марки какого-то одного термопла­ ста), данная методика вполне себя оправдывает на практике, так как дает некий усредненный результат. Говоря о подводимой мощности, следует учитывать, что все совре­ менные агрегаты снабжены ресивером, перепад давления в котором поддерживается близким к постоянному не только в момент непосред­ ственного оформления изделия, а в течение всего цикла формования τ. Таким образом, теоретическая мощность, затрачиваемая на формо­ вание изделия (N), определится по формуле N = A∕(τφ),

(5.17)

где φ = φ1φ2φ3 — коэффициент, учитывающий потери давления; φ1 — коэффициент, учитывающий потери давления в оформляющей поло­ сти; φ2 — коэффициент, учитывающий потери давления в системе трубопроводов и управляющих клапанов; φ3 — коэффициент, учитыва­ ющий потери давления в вакуум-насосе или компрессоре. Коэффициент φ1 может быть определен по соотношению работ, затрачиваемых на создание необходимого для формования перепада давления и на деформацию термопластичной заготовки до превраще­ ния ее в готовое изделие. Коэффициенты φ2 и φ3 определяются соответственно конкретной конструкцией пневмо- или вакуум-системы машины и коэффициентом полезного действия насоса или компрессора. Расчет работы формования по уравнениям (5.15) и (5.16) целе­ сообразно вести при общем технологическом расчете формовочной машины. 5.3.4. Привод

Привод обеспечивает движение основных органов формующего обо­ рудования и создание ими необходимых рабочих усилий. В формовочных машинах широко применяются пневмо- и гидроци­ линдры, обеспечивающие возвратно-поступательное движение отдель­ ных органов машины. Примером могут служить цилиндры, предназна­ ченные для перемещения нагревателей, цилиндры, обеспечивающие подъем и опускание зажимных рам, или цилиндры, создающие необхо­ димое рабочее усилие на вытяжном пуансоне. Преимуществами гидроцилиндров являются малые масса и объем, приходящийся на единицу передаваемой мощности, простота бессту­ пенчатого регулирования скоростей и высокий коэффициент полезного действия. Их недостаток — потребность в индивидуальном насосном гидроприводе. Применение приводных пневмоцилидров увеличивает 237

габариты привода, однако в оборудовании, имеющем пневмосистемы для обслуживания технологического процесса, предпочтение отдается пневмоцилиндрам. Индивидуальный насосный гидропривод состоит из одного или нескольких насосов, приводимых в движение электродвигателями; бака для рабочей жидкости; трубопроводов и арматуры, гидро- и электроаппа­ ратуры, приборов управления и рабочей жидкости. Гидро- и электроап­ паратура должны обеспечивать дистанционное управление гидроприво­ дом, а также автоматическое поддержание нужного давления и подачи. Подача насоса должна быть несколько большей или равной макси­ мальному расходу рабочей жидкости. При несоблюдении этого условия насос либо не обеспечит нужной скорости движения поршня или плун­ жера гидроцилиндра, либо будет работать с недогрузкой, что экономи­ чески нецелесообразно. Теоретическая подача насоса определяется по формуле

_ π°2

где D — диаметр поршня или плунжера гидроцилиндра; v — необходи­ мая скорость их движения. Для учета утечки и сжатия жидкости, а также расширения стенок цилиндра в формулу вводится коэффициент η = 1,2. Тогда расчетная формула для минутной подачи имеет следующий вид: Q = l,2πD2v∙60∕4.

При подборе насоса для гидропривода используется циклограмма работы гидроцилиндров. Циклограмма представляет собой кривую, изображающую изменение усилия на штоках или плунжерах гидроци­ линдров за время одного цикла работы оборудования. Циклограмма может быть построена как на основании замеров усилий, развиваемых в зависимости от пути (хода), пройденного штоками или плунжерами, так и расчетным путем. Работа А, производимая каждым из цилиндров, может быть опреде­ лена как

A = FS, где F — усилие, развиваемое на штоке или плунжере гидроцилиндра; S — путь. Затрачиваемая при этом мощность гидропривода составляет ι=∏ Fv N = ∑-, i=ι η где п — число гидроцилиндров, работающих от одного привода; Fi и vi — соответственно усилие и скорость движения штока или плун­ 238

жера i-ro цилиндра; η = 0,75 — коэффициент полезного действия насоса и редуктора давления. Мощность электродвигателя для насоса определяется в зависимости от необходимого давления рабочей жидкости р по формуле

N = Qp∕τ↑o6, где ηo6 — объемный коэффициент полезного действия. Для кривошипно-плунжерных насосов ηo6 = 0,8; для ротационно­ плунжерных и эксцентриковых при р ≤ 12 Па ηo6 = 0,93, а при р ≥ ≥ 12 МПа ηo6 = 0,7 ÷ 0,8. В качестве насосов низкого давления (до 7 МПа) применяются пла­ стинчатые, шестеренчатые, центробежные, червячно-винтовые и кри­ вошипно-плунжерные насосы. Для получения рабочей жидкости высокого давления (свыше 10 МПа) в основном применяются плунжерные насосы, которые под­ разделяются на три основные группы: кривошипно-плунжерные, экс­ центриково-плунжерные и ротационно-плунжерные. Расчет рабочего усилия цилиндров, предназначенных для привода тех или иных подвижных элементов, должен учитывать массу пере­ мещаемых систем, потери на трение в направляющих перемещаемой детали, а также силы инерции, преодолеваемые при трогании этой детали с места. Некоторые гидро- и пневмоцилиндры формующих машин кроме передвижения отдельных элементов выполняют функцию создания усилия, необходимого для осуществления технологических операций, которое также должно учитываться при расчете рабочего усилия. Технологическое усилие в устройствах, обеспечивающих предвари­ тельную механическую вытяжку формуемой заготовки, можно опреде­ лить по формуле F = As‰,

где s — площадь термопласта, на которую воздействует данное устрой­ ство; qB — давление предварительной вытяжки;

‰=(l,5÷2)∆p (здесь ∆p — оформляющий перепад давлений). Технологическое усилие, создаваемое цилиндрами, запирающими зажимные устройства, рассчитывают по формуле

F≥qBH∕n, где q — давление зажима заготовки; В — ширина зажимаемой кромки; H — периметр зажимаемой заготовки; п — число цилиндров, обеспе­ чивающих зажим заготовки. 239

Технологическое усилие вырубных устройств

F≥σcoH'δ,

где σcp — предел прочности на срез данного термопласта; Н’ — пери­ метр вырубаемого изделия; δ — толщина термопласта в месте вырубки. Усилие, необходимое для удержания в сомкнутом состоянии пневмо­ камер при формовании сжатым воздухом, можно определить из выра­ жения

F≥ AAp, где А — площадь пневмокамеры. Зная рабочее усилие цилиндра, можно рассчитать его внутренний диаметр в зависимости от давления р в гидро- или пневмосистеме: D = √4F∕(pπ). Ход поршня в цилиндре определяется в зависимости от рассто­ яния, на которое транспортируется приводимый элемент машины, или в зависимости от глубины вытяжки изделия. Затем выполняется прочностной расчет цилиндра: определяется толщина его стенок, про­ веряются на прочность днища, рассчитывается на прочность при про­ дольном изгибе шток поршня или плунжер, подбираются элементы уплотнения. В некоторых видах формовочного оборудования возвратно-поступа­ тельное движение отдельных механизмов осуществляется с помощью пары винт—гайка, приводимой в действие через клиноременную или зубчатую передачу от электродвигателя. Основными отличительными особенностями пары винт—гайка являются: высокая точность произво­ димых ею перемещений, большое передаточное отношение, плавность и бесшумность работы, легкость обеспечения самоторможения, воз­ можность передачи больших усилий. Расчет ходовой пары винт—гайка производят в первую очередь по удельным давлениям в витках нарезки, так как необходимо обеспе­ чить высокую износостойкость пары. Давление не должно превышать значений, принятых в практике станкостроения:

p = F/(πdcphz), где F — рабочее усилие; dcp — средний диаметр резьбы; h — рабочая высота витка резьбы; z — число витков на гайке (или ее части для составных гаек). Прочность ходовых винтов обычно не определяет их размеров, однако длинные ходовые винты надо проверять на устойчивость при продольном изгибе. Используются в качестве привода элементов, имеющих прямоли­ нейное возвратно-поступательное движение, и пары зубчатое колесо— 240

рейка. Для такого рода механизмов характерны: высокий коэффициент полезного действия, возможность получения больших скоростей пере­ мещения ведомого элемента, малое число деталей и сравнительная простота их изготовления. Из-за зазоров в зацеплении, которые отно­ сительно больше, чем в паре винт—гайка, и биения шестерни эта пара значительно уступает в отношении точности и плавности работы пере­ даче винт—гайка. Для осуществления прямолинейного движения перемещаемая деталь должна быть связана либо с рейкой, либо с зубчатым колесом. В первом случае зубчатое колесо связано с электродвигателем (непо­ средственно или через редуктор, вариатор скоростей и т. п.), во втором случае рейка приводится в движение от гидро- или пневмоцилиндра. В формовочном оборудовании встречаются, как правило, тихоходные реечные передачи. При их расчете достаточно ограничиваться провер­ кой прочности зуба колеса. Наиболее сложными являются приводы, обеспечивающие переме­ щение материала в многопозиционных машинах карусельного и лен­ точного типов. Привод ротора карусельных машин должен осуществлять периоди­ ческое вращение ротора. Никаких технологических усилий при своем вращении ротор преодолевать не должен. Так как роторы карусельных машин обычно массивны и имеют большую инерцию, то для их точ­ ного останова используют фиксаторы, а на наиболее тяжелых маши­ нах — и тормозные устройства. Роторы карусельных машин приводятся в движение от электродви­ гателей (механические роторы) либо от гидро- или пневмоцилиндров (гидравлические или пневматические роторы). Механизмы поворота с приводом от электродвигателя оборудуют зубчатой передачей с внутренним или внешним зацеплением, криво­ шипно-шатунным и мальтийским механизмами. В механизмах пово­ рота ротора с приводом от гидроцилиндра передающим устройством обычно служат храповой механизм и зубчатая передача с рейкой. Схема механизма поворота с зубчатым передающим механизмом и приводом от электродвигателя дана на рис. 5.87. Механизм пово­ рота приводится от реверсивного электродвигателя 6 через червячный редуктор 4. Шестерня 3 приводит во вращение колесо 1, неподвижно установленное на оси 2 ротора. Электродвигатель соединен с редук­ тором тормозной электромагнитной муфтой 5, обеспечивающей сни­ жение скорости движения ротора в конце поворота и его фиксацию в неподвижном положении. Тормозная муфта включается по команде конечных выключателей, установленных на роторе и контролирующих его положение. Команда к очередному повороту ротора подается реле времени. Описанные механизмы поворота ротора имеют относительно боль­ шие габариты. Недостатком такой конструкции является отсутствие плавного регулирования скорости поворота ротора. 241

4

5

6

Рис. 5.87. Схема механизма поворота с зубчатым передающим механизмом Поворотное устройство с мальтийским механизмом представлено на рис. 5.88. Мальтийский крест 3 прикреплен к шайбе 1, связанной с осью 2 ротора. Механизм приводится от электродвигателя 6 через червячную пару 5,8. На валу червячного колеса 5 установлен сегмент 4 с водилом 7. Непрерывно вращающийся электромотор приводит в дви­ жение сегмент с водилом. После того как ролик водила войдет в прямо­ угольный паз мальтийского креста, ротор поворачивается вокруг своей оси. По окончании поворота ролик выходит из паза, а в цилиндриче­ ский вырез мальтийского креста входит сегмент, фиксируя положение ротора. Ротор остается неподвижным до тех пор, пока сегменты сопри­ касаются с мальтийским крестом. Число прямоугольных пазов и цилин­ дрических вырезов соответствует числу позиций данного карусельного механизма.

Рис. 5.88. Схема механизма поворота с мальтийским механизмом

Преимуществом данной конструкции является отсутствие специ­ альных фиксирующих устройств, а недостатком — постоянное соот­ ношение между временем поворота и временем выстоя ротора, опре­ деляемое расстоянием между осями мальтийского креста и сегмента и размерами самого сегмента. Машины, оборудованные мальтийским механизмом, можно использовать только для изготовления ограничен­ ного ассортимента изделий. Это сужает область применения механиз­ мов поворота с мальтийским крестом. 242

В машинах с малым временем выстоя ротора иногда применяют механизмы поворота с приводам от электродвигателя с неполнозуб­ ными (секторальными) колесами (рис. 5.89). На оси ротора 6 сво­ бодно сидит деталь 5. число ее спиц равно числу позиций механизма (например, карусельной формовочной машины). Ведомое сектораль­ ное колесо 3 неподвижно сидит на оси ротора. Незадолго до входа в зацепление зубьев секторального ведущего колеса 2 с ведомым коле­ сом один из штифтов 1 колеса 2 начинает отжимать вправо деталь 5, которая связана пружиной 7 со штифтом 8 колеса 3. Растягиваемая пружина постепенно «страгивает» это колесо, и удар в момент начала зацепления ослабляется. Поворот детали 5 и натяжение пружины огра­ ничиваются штифтом 4. В механизмах подобного рода имеется опас­ ность столкновения зубьев ведущего и ведомого колес. Эта опасность устраняется срезанием части первого вступающего в зацепление зуба или уменьшением его высоты.

6

Рис. 5.89. Схема механизма поворота с секторальными колесами

Большое распространение получили механизмы поворота с при­ водом от пневмо- и гидроцилиндров, работающих совместно с храпо­ вым механизмом (рис. 5.90). Такой механизм состоит из поворотной плиты 3, храпового колеса б, жестко соединенного с плитой 5, установ­ ленной на неподвижной оси ротора 7, толкающей 4 и фиксирующей 2 собачек и цилиндра 1, шарнирно прикрепленного к станине машины. Шток цилиндра соединен с поворотной плитой, свободно установлен­ ной на ступице храпового колеса. В исходном положении фиксирую­ щая собачка 2 отведена от храпового колеса 6 штифтом 8, а толкающая собачка 4 упирается в зуб храпового колеса. При движении плунжера гидроцилиндра 1 вперед поворачивается плита 3. При этом храпо­ вое колесо поворачивается вместе с плитой для крепления зажимных устройств до тех пор, пока штифт не освободит фиксирующую собачку, которая при этом упирается в зуб храпового колеса. Для уменьшения скорости в конце поворота цилиндр снабжен концевым дросселем, установленным в днище цилиндра. После остановки ротор фиксируется специальным фиксатором. Фиксаторы чаще всего представляют собой 243

клин, вводимый в специальный паз в плите для крепления зажимных устройств, или скобу, накидываемую на специальный выступ одного из зажимных устройств. И клин, и скоба приводятся в движение гидроили пневмоцилиндрами. После того как положение ротора зафикси­ ровано, плунжер цилиндра механизма поворота возвращается назад и поворотная плита с толкающей собачкой занимает исходное положе­ ние. Далее по соответствующему сигналу реле времени фиксатор уби­ рается, подается давление в цилиндр 1, и цикл движения повторяется. Скорость поворота ротора регулируется расходом рабочей жидкости или сжатого воздуха, подаваемого в цилиндр 1, а положение ротора контролируется конечными выключателями.

7 6 3 Рис. 5.90. Схема механизма поворота с храповым механизмом Механизм поворота ротора с храповым механизмом может приво­ диться в действие и от электродвигателя с установкой кривошипно­ шатунного механизма, однако в этом случае соотношение времени поворота и выстоя ротора не регулируется. Храповые механизмы могут применяться только на машинах, име­ ющих четыре и более позиций, поскольку угол поворота храповика не может быть более 90—100°. Применяются схемы поворотных механизмов с приводом от двух гидро- или пневмоцилиндров (рис. 5.91). Храповое колесо 2, жестко закрепленное на оси 5 ротора, поворачивается от усилия, создаваемого штоком основного качающегося цилиндра 1. Шток этого цилиндра заканчивается роликом 4. При подаче рабочей жидкости или сжатого воздуха в поршневую полость цилиндра 1 его шток подходит к храпо­ вому колесу, входит в один из его пазов и поворачивает ротор. Поло­ жение ротора фиксируется с помощью фиксатора, а шток цилиндра 1 отводится назад. Цилиндр 3 предназначен для поджатия ролика 4 к пазу храпового колеса и для возвращения цилиндра 1 в исходное положение. Привод роторов формовочных машин барабанного и ротационного типов должен обеспечивать непрерывное вращение ротора с постоян­ 244

ной скоростью, которая регулируется при работе на разных режимах и при смене ассортимента изделий.

Puc. 5.91. Схема механизма поворота с двумя цилиндрами Конструкция привода должна обеспечивать возможность регулиро­ вания частоты вращения ротора в широком диапазоне. Как правило, на формовочных машинах предусматривают привод с бесступенчатым регулированием скорости. Основным требованием к механизмам для периодической протяжки рулонного материала является высокая точность протяжных механиз­ мов. Наиболее жесткие требования предъявляются к протяжным меха­ низмам многопозиционных машин, так как на них небольшая ошибка в длине протяжки приводит к браку. Усилие, создаваемое протяжными механизмами, должно быть таким, чтобы при протяжке полотно тер­ мопласта не деформировалось (в первую очередь это относится к пле­ ночным материалам). При расчете усилия следует помнить, что часть полотна термопласта, находящаяся в позиции нагрева, имеет темпера­ туру высокоэластического состояния, а следовательно, очень склонна к деформированию. На современных термоформовочных машинах протяжка пленки производится цепным транспортером, кулисно-рычажным механизмом или с помощью пневмопривода. Наиболее распространена протяжка пленки цепными транспортерами. Транспортер располагается под полотном материала так, что каждая из его двух цепей проходит вдоль боковой кромки полотна термопла­ ста. Транспортер оборудован пластинчатыми цепями с закрепленными на звеньях шипами, обращенными наружу. Шипы имеют форму трех­ гранной пирамиды. Высоту шипа выбирают в зависимости от толщины материала, угол при вершине примерно 30—40°. Принцип действия механизма следу­ ющий. Периодически на ведомых звездочках транспортера создается крутящий момент. При этом верхние ветви цепей начинают двигаться в направлении необходимого перемещения полотна материала. Так как расстояние между верхними ветвями цепей и полотном термо­ пласта меньше, чем высота шипов, то происходит прокол заготовки. Наименьшее усилие для внедрения шипов в термопласт требуется там, 245

где температура полимера достаточно высока, т. е. в позиции обогрева. Поэтому обычно предусматривают сближение полотна с ветвями цепей именно в этой позиции. При контакте полотна с шипами термопласт стремится приподняться, уйти от шипов. Чтобы обеспечить надежный прокол материала, полотно по краям придерживается специальными захватами — направляющими. Наколотое на шипы полотно перемещается синхронно с цепями транспортера с позиции на позицию, причем при передвижении мате­ риала практически исключается деформация (продольная вытяжка) полотна. После прохождения полотном последней позиции оно попа­ дает на направляющую плиту, расположенную между двумя ветвями транспортера, цепи отходят вниз и шипы выходят из термопласта. Дви­ жению полотна за цепями транспортера препятствует направляющая плита. На валу ведомых звездочек транспортера предусматривается натяжная станция, обычно винтовая. Верхние ветви цепей скользят по направляющим, чтобы исключить возможность их провисания и коробления полотна термопласта. Привод вала ведущих звездочек должен осуществлять периодическое вращение. Известно, что при нагреве термопласт за счет термического рас­ ширения и силы собственного веса провисает. Величина провисания не может превышать какого-то критического значения, так как в этом случае нагретый лист может преждевременно касаться элементов машины или формующего инструмента, коробиться и переохлаж­ даться в этих местах. Кроме того, значительное провисание сказыва­ ется и на разнотолщинности будущего изделия. Для определения провисания заготовки при нагревании должен быть известен термический коэффициент линейного расширения поли­ мера. Термическое расширение пластмасс является приблизительно линейной функцией температуры и может быть вычислено при извест­ ном λ следующим образом: AZ = Z1X(T2-T1),

где AZ — термическое расширение, мм; Z1 — длина или другой размер при температуре T1, мм; T1 — начальная температура (обычно темпе­ ратура окружающей среды); T2 — температура по истечении времени нагрева. Приведенное уравнение верно только для рабочих температур, используемых в процессе термоформования. Провисание может быть рассчитано по упрощенной формуле

∕ = 0,62√ZrΔZ,

где/— провисание, мм; b — ширина листа в зажимной раме машины или в транспортере для подачи материала, мм. Для компенсации провисания заготовки ветви тянущего цепного транспортера оборудуются устройством, изменяющим расстояние 246

между ветвями таким образом, чтобы по мере прогрева заготовки это расстояние увеличивалось, а заготовка натягивалась и ее провисание уменьшалось. На машинах, где необходима высокая точность протяжки и возмож­ ность легкой переналадки длины протягивания, применяют кулисно­ рычажные механизмы. Для протяжки толстого рулонного материала применяют меха­ низмы с пневматическим приводом. Механизм имеет пневмоцилиндр, на штоке которого неподвижно закреплена специальная цанга с пружи­ нами. Привод прижимов пневматический с мембранным устройством. Длина протяжки полотна регулируется механическими ограничите­ лями, устанавливаемыми на штоке пневмоцилиндра перемещения; усилие захвата — давлением воздуха в мембранных устройствах, управляющих захватами. Скорость протяжки полотна материала в машинах для термоформо­ вания составляет 0,25—1 м/с. Для протяжки полотна термопласта в машинах с непрерывным дви­ жением материала (например, в барабанных или ленточных с ротаци­ онным узлом формования) применяют обычно механизмы протяжки полотна валкового типа. Они состоят из гуммированных валков, один из которых свободно вращается вокруг своей оси. Второй валок соеди­ нен с приводом. Свободновращающийся валок прижимается с помо­ щью пружин к приводному валку. Полотно материала протягивается под действием силы трения. Зазор между валками и силу прижима вал­ ков можно регулировать. При формовании листовых рулонных материалов механизмы про­ тяжки обеспечивают, как правило, и размотку рулонного материала. Так как при размотке материала с бобин могут возникать значитель­ ные усилия, при формовании пленочных материалов использование механизма протяжки для размотки во избежание деформации полотна не рекомендуется. В машинах для формования пленки предусматри­ вают специальный механизм размотки (рис. 5.92). Механизм размотки включает в себя: держатель 2; обводные валки 3 и 7, служащие для изменения напряжения подачи пленки; транспорт­ ный валок 5 и прижимной валок 6, предназначенные для протягивания пленки (сматывания с рулона); привод транспортного вала (электро­ двигатель, червячный редуктор, муфта и цепная передача); валок-ком­ пенсатор 4, предназначенный для натяжения пленки и управления электродвигателем 1 с помощью конечных микровыключателей КВ2 и КВЗ. Механизм размотки работает следующим образом. Рулон с пленкой закрепляется на держателе 2. Полотно разматывается транспортным валком непрерывно. Для сочетания непрерывного процесса размотки полотна и его периодической протяжки в рабочие органы машины слу­ жит валок-компенсатор. Этот свободно вращающийся вокруг своей оси валок может перемещаться по вертикали. Это достигается установкой 247

подшипниковых узлов валка в специальных ползунах, для движения которых в станине предусмотрены вертикальные направляющие сколь­ жения. После очередной протяжки валок-компенсатор поддерживается пленкой в верхнем положении (штриховая линия на рис. 5.92). Транс­ портный валок продолжает размотку пленки. Так как пленка в этот момент не протягивается в рабочие органы, то в размоточном меха­ низме возникает запас пленки, пленка образует петлю и по мере опу­ скания этой петли опускается также валок-компенсатор. Скорость раз­ мотки пленки транспортным валком подбирается так, чтобы в момент очередной протяжки полотна в рабочие органы машины валок-ком­ пенсатор находился в нижнем положении. После очередной протяжки полотна валок-компенсатор переходит в верхнее положение, и цикл повторяется. В верхнем и нижнем положениях валка-компенсатора установлены конечные микровыключатели — соответственно КВЗ и КВ2. Если после того как валок-компенсатор пришел в нижнее поло­ жение, не произошло протяжки полотна в рабочие органы машины, выключатель КВ2 подает сигнал на отключение электродвигателя, обе­ спечивающего привод транспортного валка. Электродвигатель вклю­ чается конечным выключателем КВЗ в момент, когда после протяжки полотна валок-компенсатор придет в верхнее положение.

Рис. 5.92. Схема механизма размотки пленки Конечный микровыключатель KBl предназначен для контроля за наличием пленки. Если пленка на рулоне кончилась или где-то про­ изошел ее обрыв (это приводит к тому, что пленка не будет натянута), микровыключатель KBl подает сигнал на отключение привода машины. Для намотки тисненой пленки на барабанных машинах, предназна­ ченных для нанесения рельефного рисунка на пленку, также исполь­ зуют устройства с валком-компенсатором. Это связано с тем, что в дан­ ном случае необходимо совместить постоянную скорость отходящего 248

с формовочного барабана отформованного полотна с переменной ско­ ростью его намотки на бобину. Изменение скорости намотки связано с изменением диаметра бобины в процессе намотки полотна. Схема механизма намотки показана на рис. 5.93. Механизм состоит из бобинодержателя 6 для намотки рулона 7. Ось бобинодержателя соединена с приводом, состоящим из электродвигателя, муфты, чер­ вячного редуктора и цепной передачи. Кроме того, в механизм входят направляющие валки 1 и 2, валок-компенсатор 3 и кулачок 5. В данном примере валок-компенсатор качающийся, он установлен на рычаге 4.

Рис. 5.93. Схема механизма намотки пленки

Механизм намотки работает следующим образом. По мере отхода от формующего ротора полотно материала скапливается и образует петлю. Как и в предыдущем случае (см. рис. 5.92), валок-компенсатор опускается вместе с петлей. По мере опускания компенсатора повора­ чивается рычаг 4 вместе с неподвижно закрепленным на нем кулач­ ком 5. При достижении валком-компенсатором нижнего расчетного положения выступ кулачка нажимает на конечный микровыключатель KBl, который включает привод бобинодержателя. Полотно начинает сматываться в рулон, причем намотка продолжается до тех пор, пока валок-компенсатор не приходит в верхнее положение. В этом положе­ нии срабатывает конечный выключатель КВ2, отключающий электро­ двигатель привода. Инерционность привода учитывается в данном слу­ чае некоторым опережением в установке микровыключателей. Механизмы намотки, подобные описанному, применяют и на маши­ нах с прерывным движением рулонного пленочного материала. В этих машинах они используются для намотки отходов. В машинах с периодическим движением рулонного листового мате­ риала для сбора отходов чаще применяется намотка на бобину, связан­ ную с приводом через фрикционную муфту. Крутящий момент в этой муфте подбирается таким образом, чтобы его хватило на вращение бобины и свободную протяжку отходов. В тот период, когда проис­ ходит рабочий цикл и полотно термопласта зажато рабочими орга­ нами машины (например, вырубным устройством), крутящий момент на бобинодержатель муфтой передаваться не должен. 249

Для подачи заготовок в виде нерулонированных длинных лент к оформляющему инструменту используются устройства нескольких типов (рис. 5.94).

в

Рис. 5.94. Схемы подачи заготовок в виде ленты: а — валковый механизм; б, в — клещевые механизмы; г — клинороликовый механизм;

1 и 2 — нижний и верхний валки подачи; 3 и 4 — зажимные части кареток; 5 и 6 — подвижные каретки; 7 и 8 — неподвижные каретки

В валковых устройствах движение ленты происходит под действием сил трения, возникающих между лентой и валками (см. рис. 5.94, а). Одно­ стороннее прерывистое движение достигается благодаря применению обгонной муфты или храпового механизма. Валки постоянно находятся в контакте с лентой под действием силы, создаваемой пружинами или пневмоцилиндром. Во время рабочего хода пресса валки не вращаются. При подаче клещевыми механизмами (см. рис. 5.94, б, в) перемеще­ ние ленты происходит вместе с подвижной кареткой, при этом в непод­ вижной каретке лента освобождена (см. рис. 5.94, б). Одностороннее прерывистое движение достигается тем, что действие кареток меня­ ется: зажим ленты производится в зажимной каретке, а в подвижной, которая перемещается в направлении, противоположном подаче, лента освобождается от зажима (см. рис. 5.94, в). Клинороликовый механизм подачи (см. рис. 5.94, г) работает по прин­ ципу обгонной муфты. Наклонные плоскости в подвижном и непод­ вижном корпусах расположены одинаково. В подвижном корпусе лента заклинивается роликами и перемещается вместе с корпусом, а в непод­ вижном — ролики свободно пропускают ленту. При обратном ходе под­ вижного корпуса действие роликов изменяется на противоположное.

Контрольные вопросы и задания 1. Охарактеризуйте процессы свободного, негативного и позитивного фор­ мования. 2. Для каких целей применяются предварительные механическая и пневма­ тическая вытяжки при термоформовании изделий? 250

3. Приведите классификацию оборудования для переработки термопластич­ ных листов и пленок в объемные изделия. 4. Каковы принципиальные различия конструкций машин для вакуум-фор­ мования и для пневмоформования? 5. Расскажите о преимуществах и недостатках однопозиционных машин для вакуум-формования. 6. Каковы основные преимущества и недостатки двухпозиционных машин? 7. Чем принципиально отличаются многопозиционные машины с одно­ родными позициями от многопозиционных машин с позициями различного назначения? 8. В каких случаях оправдано применение многопозиционных машин для термоформования? 9. Перечислите виды машин, рекомендуемых для производства мелкой тары. 10. Какие виды многопозиционных машин и почему используются для полу­ чения толстостенных изделий? 11. Чем различается оборудование для формования упаковки типов «скин» и «блистер»? 12. Какие виды нагревательных элементов используются в узлах нагрева заготовок термоформовочных машин? 13. В каких целях применяется нагрев термопластичной заготовки на двух или нескольких позициях в многопозиционных машинах для термоформования? 14. В каких случаях используются валковые преднагреватели? 15. Перечислите виды устройств для закрепления заготовок, используемых в оборудовании для термоформования. 16. Назовите основные требования, предъявляемые к системам создания вакуума в машинах для вакуум-формования. 17. Перечислите основные требования, предъявляемые к пневмосистемам машин для пневматического и пневмовакуумного формования. 18. Какое соотношение между объемами ресивера и формы в машинах для вакуум-формования является оптимальным и почему? 19. Какие механизмы используются для вращения ротора в машинах кару­ сельного типа? 20. Как осуществляется протяжка рулонного материала в машинах ленточ­ ного типа? 21. Какие приспособления в многопозиционных машинах ленточного типа используются для компенсации прогиба заготовки после ее нагрева?

Глава 6 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ ФОРМОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 6.1. Оборудование и технология формования изделий из стекловолокнистых материалов 6.1.1. Классификация методов формования изделий Методы изготовления изделий из стеклопластиков весьма разно­ образны по аппаратурно-технологическому оформлению и зависят от формы и размеров изделия, типов волокнистого наполнителя и свя­ зующего. Все методы формования изделий из стеклопластиков могут быть в самом общем виде разделены на открытые и закрытые. К открытым относятся методы контактного формования, напыле­ ния, намотки, центробежного формования и ряд других, представляю­ щих собой разновидности перечисленных. В этих методах используется одна формообразующая поверхность. Вследствие этого значительно затруднен контроль за получением заданного объемного содержания волокнистого наполнителя в композиции, так как толщина стенки изде­ лия является функцией ряда параметров, к числу которых относятся вязкость связующего, упругость стекловолокнистого наполнителя, конструктивные особенности устройств, используемых для локального уплотнения наполнителя и др. Дополнительное уплотнение свобод­ ной поверхности изделий, формуемых открытым способом, позволяет повысить стабильность технологического процесса и улучшить каче­ ство изделий. К закрытым методам относятся прессование, инжекционное фор­ мование, протяжка. Вся поверхность изделия формуется в контакте с соответствующими элементами формы. Как правило, при закрытом формовании не требуется дополнительной обработки поверхности изделий и достигается значительно более высокая точность толщины стенок. В табл. 6.1 приведены наиболее распространенные методы изготов­ ления изделий из стеклопластиков. 252

Таблица 6.1 Основные методы формования изделий из стеклопластиков

Метод Контактное формование

Напыление

Намотка непрерывного однонаправ­ ленного напол­ нителя (нити, жгута, ленты)

Краткая характеристика

Схема

Послойная укладка в откры­ той форме листов наполни­ теля с его предварительной или одновременной пропит­ кой с помощью кисти или пульверизатора и уплотне­ нием прикаточным валиком

I

Напыление рубленого напол­ нителя и связующего с после­ дующим уплотнением прика­ точным валиком

⅜‰j ‰

Спиральная или продольно­ поперечная намотка наполни­ теля с его предварительной, одновременной или последую­ щей пропиткой

—а

Намотка непрерывного рулонного наполнителя (ткани, хол­ ста)

Прямая или спиральная намотка наполнителя с его предварительной, одновре­ менной или последующей пропиткой

Центробежное формование труб

Загрузка стекловолокнистой заготовки, ее уплотнение и пропитка при вращении формы

Прессование в замкнутой форме

ss∞∞∞κi∞3

Прессование в замкнутой форме листов наполнителя с его предварительной, одно­ временной или последующей пропиткой под давлением или в вакууме

I

≡j≡>

Протяжка (пултрузия)

¾3

\

-"^∕Q∖

\° о о о о I

ooooo[ (•

i

Формование и пропитка одно­ направленного пучка напол­ нителя и протяжка его через формующую фильеру

253

Окончание табл. 6.1 Метод Формование листов

Схема

,Gw

Краткая характеристика Напыление рубленого напол­ нителя и связующего (или укладка стеклохолста с про­ питкой его связующим) и фор­ мование непрерывного листа между двумя слоями изолиру­ ющей пленки с последующим гофрированием или без него

Вид стекловолокнистого наполнителя в значительной степени пре­ допределяет выбор метода формования изделий. Элементарное сте­ клянное волокно, получаемое фильерной вытяжкой из расплава, может использоваться при получении материала типа CBAM; нити, жгуты, ленты используются при намотке оболочек; рубленое волокно приме­ няется при напылении; холсты и ткани используются в основном при контактном формовании, прессовании, прямой намотке труб. Стеклопластики представляют собой материалы, создание которых собственно происходит при формовании изделия. При этом если совме­ щение волокнистого наполнителя и связующего осуществляется непо­ средственно в процессе формования изделия, то говорят о «мокром» способе формования. При «сухом» способе формования используются предварительно про­ питанные волокнистые наполнители (препреги1). Растворы полимерных связующих наносят в заданном количестве на поверхность наполнителя с последующей сушкой и удалением растворителя. Предварительно про­ питанные материалы сохраняют технологические свойства и пригодны для практического использования в течение 10—15 дней. Метод намотки позволяет наиболее полно реализовать достоинства полимерных композиционных материалов (ПКМ). Разнообразие спосо­ бов технологического оформления процесса намотки открывает перед разработчиками широкие возможности создания изделий из ПКМ самых различных форм и размеров. При этом используются как «сухая», так и «мокрая» намотка. Наряду с предварительной пропиткой волокнистого наполнителя и пропиткой его в процессе формования изделий используется про­ питка волокнистого наполнителя на завершающей стадии процесса формования, осуществляемой после сборки и необходимого уплотнения стекловолокнистой заготовки будущего изделия в замкнутой форме. Практическое осуществление таких методов потребовало серьезных исследований кинетических закономерностей процесса течения вяз­ ких жидкостей в пористых средах при различной степени уплотнения последних с учетом геометрической формы изделий. 1 Препрег получил название от английского термина «preimpregnated», который означает предварительно приготовленный (пропитанный связующим, подсушенный, намотанный на катушку, бобину или в рулон) армирующий материал.

254

При формовании изделий из армированных пластиков волокнистый наполнитель, как правило, малоподвижен, а связующее обладает хоро­ шей текучестью. Это требует внимательного подхода к выбору давления формования. При использовании связующих, не выделяющих летучих продуктов на стадии отверждения, давление формования будет опреде­ ляться только деформационными свойствами волокнистой заготовки, т. е. степенью ее уплотнения. При использовании связующих, отверждающихся по поликонденсационному механизму с выделением газообразных и жидких продуктов реакции, давление формования следует выбирать с учетом интенсив­ ности этих выделений на разных стадиях процесса во времени, а также с учетом величины давлений, возникающих в результате выделений в замкнутой форме или в форме, конструкция которой обеспечивает удаление части продуктов отверждения. Кроме того, конструкция формы должна обеспечить стабильность размеров изделий при дей­ ствии давления выделившихся вследствие нагрева продуктов реакции, с тем чтобы получить формуемые изделия, совершенные по толщине стенки и по структуре материала. По давлению, развиваемому в формующем инструменте, методы формования классифицируют следующим образом: формование без давления и формование с малым (до 2,5 МПа), средним (до 7 МПа) и высоким (до 30 МПа) давлением. Уровень давления обусловлен гидравлическим сопротивлением пористой среды, а также газовыделением при отверждении. Согласно приведенной классификации без давления формуют изде­ лия контактным методом и методом напыления. Уплотнение компози­ ции прикаточными валиками здесь носит локальный и кратковремен­ ный характер. Намотка и центробежное формование осуществляются с малым давлением. Средние давления используются при «мокром» прессовании волокнистого наполнителя в замкнутой форме, высо­ кие — при прессовании предварительно пропитанных материалов. После окончания формования оболочки намоткой могут быть при­ менены дополнительные средства создания повышенного давления формования материала. К их числу относятся различные эластичные оправки, эластичные вакуумированные обжимные чехлы в сочетании с автоклавами, гидроклавами, оплетками слоями армирующего напол­ нителя, лент, канатов («кабельклавы»), а также специальные бандажи и пресс-формы. Применяемое оборудование и оснастка должны обеспе­ чить необходимые давления формования материала изделия. Несмотря на то что метод намотки относится к открытым методам формования, он позволяет (хотя и не в такой степени, как при закры­ том формовании) регулировать объемное содержание волокнистого наполнителя в композиции. Достигается это благодаря тому, что уплот­ нение ПКМ при намотке армирующего материала на оправку нену­ левой кривизны связано с технологическим натяжением. Последнее является достоинством метода намотки еще и потому, что позволяет 255

более полно использовать прочностные свойства волокнистого напол­ нителя за счет одновременного вступления волокон в работу, а также за счет их предварительного натяжения. Эти факторы позволяют при­ менять при намотке более жесткие связующие с меньшим относитель­ ным удлинением и при прочих равных условиях получать материалы с более высокими механическими характеристиками. Достижение требуемой ориентации волокнистого наполнителя в стенке изделия — довольно трудная задача, и наибольшие возмож­ ности здесь разработчикам предоставляет метод намотки. Выбор оптимальных углов намотки в сочетании с требуемым технологиче­ ским натяжением позволяет придать материалу изделий анизотропию свойств, наиболее полно отвечающую характеру внешних нагрузок. Таким образом, метод намотки дает возможность в максимальной степени использовать достоинства армированных пластиков как кон­ струкционного материала. К числу недостатков метода намотки следует отнести прежде всего сравнительно низкую герметичность изделий, характерную, впрочем, и для других методов открытого формования. Герметизация намотан­ ных изделий обеспечивается посредством создания многослойных кон­ струкций со слоями эластомеров, термопластов, а также металлов. Возможность изготовления методом намотки изделий сложной геоме­ трической формы в значительной степени ограничена, стоимость обору­ дования достаточно высока. Тем не менее достоинства метода намотки столь существенны, что он широко применяется в самых разных отраслях промышленности. Особое значение метод намотки приобрел за рубежом в ракетно-космической технике. Из крупногабаритных намотанных сте­ клопластиковых конструкций, изготавливаемых в США, классическими примерами являются корпуса ракет типа «Поларис» и «Минитмен», где применение высокопрочного стеклопластика взамен стали позволило снизить массу и существенно (в 5—10 раз) уменьшить стоимость. Некоторые сравнительные характеристики ряда методов производ­ ства стеклопластиковых изделий представлены в табл. 6.2. Таблица 6.2 Сравнительная характеристика основных методов производства стеклопластиковых изделий

Относительный показатель*

Методы

СТОИМОСТЬ оборудова­ ния

произво­ дитель­ ность

квали­ фикация рабочих

степень сложности изделия

проч­ ность изделия

Контактное формование

1

1

10

10

3

Напыление

4

4

10

10

1

Прессование

8

8

4

5

7

Намотка

6

6

2

4

10

* Высший балл равен 10. 256

Объем мирового производства намотанных стеклопластиковых изде­ лий непрерывно возрастает. Размеры проектируемых конструкций уже достигли 8 м в диаметре и 35 м в длину и продолжают расти. Современ­ ное состояние техники намотки позволяет изготавливать конструкции диаметром более 30 м. Можно предположить, что в будущем совершен­ ствование метода намотки будет идти по пути разработки технологии получения несимметричных и более сложных конструкций. Технология намотки развивается в продолжение примерно сорока лет. Тем не менее учеными и конструкторами, технологами и эксплу­ атационниками как отечественными, так и зарубежными накоплен огромный опыт, позволяющий эффективно использовать эту техно­ логию. Вместе с тем существует и множество нерешенных вопросов, однако имеются большие потенциальные возможности для дальней­ шего усовершенствования оборудования и технологии.

6.1.2. Намотка труб Наиболее простой метод формования цилиндрических оболочек состоит в прямой (или радиальной, иначе — окружной) намотке рулон­ ного наполнителя на вращающуюся оправку. В простейшем случае длина намотанной оболочки соответствует ширине рулонного материала. Для получения методом прямой намотки труб, длина которых превышает ширину рулонного материала, одновре­ менно ведется намотка с нескольких рулонов параллельно с небольшой нахлесткой по краям (5—50 мм). Чтобы несколько нивелировать утолще­ ния в местах нахлестки, оправке придается кроме вращательного и неболь­ шое возвратно-поступательное движение на расстояние, несколько пре­ вышающее размер нахлестки. Схемы прямой тканевой намотки (ПТН) представлены на рис. 6.1. Этим методом можно не только формовать трубы постоянной толщины, но и получать на них специальные утолще­ ния, прекращая подачу на оправку наполнителя с некоторых рулонов.

4

а

б

Рис. 6.1. Схемы станков с двумя опорными валками (а) и без опорных валков (6) для прямой тканевой намотки труб: 1 — опорные валки; 2 — прижимной валок; 3 — оправка; 4 — рулоны со стеклотканью; 5 — направляющий валок 257

Намотку можно вести как «сухим», так и «мокрым» способом. В каче­ стве армирующего материала обычно используют стеклоткани. Фор­ мование структуры стеклопластика осуществляется под действием тех­ нологического натяжения ткани на жесткой технологической оправке, а иногда и под действием одного или нескольких опорных и прижим­ ного валков. Наматываемые этим методом оболочки являются сило­ выми конструкциями и достигают 20 м по длине и 3 м в диаметре. Сама структура тканого армирующего наполнителя и технологические воздействия на него в процессе намотки не позволяют реализовать в готовых конструкциях прочность стеклопластика выше 600 МПа, что ограничивает возможности применения этого метода намотки труб для получения высокопрочных и небольших по массе оболочек. Вместе с тем подобным образом намотанные трубы отличаются хорошей гер­ метичностью и высокими технологическими и экономическими пока­ зателями. Методом прямой намотки могут быть также получены трубы с использованием в качестве наполнителя стеклохолста. Намотку при этом можно вести на технологическую оправку, позволяющую осущест­ влять внутреннюю опрессовку намотанной трубы для улучшения струк­ турных характеристик стеклопластика. Увеличение деформативности наполнителя в процессе опрессовки достигается системой поперечных надрезов, расположенных в шахматном порядке на поверхности хол­ ста. Подобным образом получают дренажные трубы диаметром до 400 мм и длиной до 10 м с внутренним полиэтиленовым слоем. Стеклопластиковые трубы могут быть получены не только методом прямой намотки рулонного наполнителя, но также и его спиральной укладкой. При этом может быть реализован как непрерывный способ получения бесконечной трубы, так и дискретный способ получения трубы ограниченных размеров. В первом случае обычно имеют дело с трубами малого диаметра, а во втором — с крупногабаритными тру­ бами. При непрерывном способе стеклотканый наполнитель подается на оправку с двух рулонов. Кинематические соотношения установок обычно предусматривают поступательное перемещение намотанной трубы по поверхности неподвижной оправки (или движение трубы вме­ сте с наращиваемой оправкой) и взаимно противоположное вращение планшайб с расположенными на них раскладчиками рулонного напол­ нителя. На рис. 6.2 показаны две принципиально возможные схемы такой намотки. Для увеличения прочности трубы в осевом направле­ нии, необходимой для преодоления сил трения при взаимном переме­ щении трубы и оправки, осуществляется и продольное армирование. Отличие схем выражается в расположении транспортирующих валков: при наращиваемой оправке (см. рис. 6.2, а) — подающие и центриру­ ющие приемные валки, а при неподвижной (см. рис. 6.2, б) — только тянущие. 258

Рис. 6.2. Схемы станков для непрерывной намотки труб с наращиваемой (а) и с неподвижной (б) оправкой: 1 — оправка; 2 и 7 — подающие и приемные центрирующие валки; 3 и 6— планшайбы с раскладчиками рулонного наполнителя; 4 — направляющие устройства для продольного армирования; 5 — наполнитель для продольного армирования; 8 — тянущие валки (обогреваемые)

При дискретном способе стеклотканый наполнитель подается на вращающуюся оправку с одного рулона, установленного на каретке. Образование системы двух слоев со взаимно перекрестным ориенти­ рованием волокон в стенке стеклопластиковой трубы происходит при возвратно-поступательном движении каретки с рулоном ткани вдоль оправки. Схемы такой намотки приведены на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Схемы станков для дискретной (косой) тканевой намотки труб с опорными валками (а) и с прижимным валком (б): 1 — опорные валки; 2 — прижимной валок; 3 — оправка; 4 — направляющие валки; 5 — натяжной валок; 6 — рулон с тканью; 7 — каретка с рулоном ткани, установленным в механизме качания и натяжения 259

Метод косой тканевой намотки (KTH) труб не нашел широкого рас­ пространения. Свойства получаемых при этом труб не отличаются от свойств труб, изготавливаемых методом прямой намотки, а слож­ ность станков, особенно для непрерывного производства труб, делает их работу ненадежной. Наиболее совершенные по физико-механическим и массовым харак­ теристикам стеклопластиковые трубы получаются при использовании не тканевого наполнителя, а однонаправленного армирующего мате­ риала в виде пряди нитей или ленты. Прочность оболочек из стекло­ пластика на таких наполнителях достигает 1250 МПа. Для реализации этих свойств стеклопластика в трубах используются схемы продольно­ поперечной (ППН) и спиральной намотки (CH). При формировании структуры стеклопластика с продольно-попереч­ ным армированием каждый несущий слой образуется двумя системами нитей, одна из которых с заданным шагом укладывается вдоль образу­ ющей [угол намотки а = (0 ÷ 5)°], а другая наматывается практически в окружном направлении [α = (85 ÷ 90)°]. При этом количество нитей, укладываемых в окружном направлении трубы, должно обеспечить в 2 раза более высокую стойкость к нагрузкам, действующим в ради­ альном направлении, чем в осевом, если такая труба эксплуатируется под внутренним давлением. Многократным образованием подобных несущих слоев формируется структура стенки стеклопластиковой трубы. Местные утолщения на ней создаются дополнительной окруж­ ной намоткой. Для продольно-поперечной намотки труб могут быть использованы станки двух типов, схемы которых представлены на рис. 6.4. Та и дру­ гая схемы характеризуются наличием оправки, каретки и планшайбы, а также катушек с лентами для продольной укладки. Различие состоит в том, что в схеме, изображенной на рис. 6.4, а, продольные ленты укладываются на неподвижную оправку при осевом перемещении каретки с помощью захватов и фиксаторов, а ленты для спиральной намотки находятся на вращающейся планшайбе. В схеме, приведенной на рис. 6.4, б, расположение катушки с лентами обратное: ленты для спиральной намотки находятся на возвратно-поступательно движу­ щейся каретке, а ленты для продольной укладки — на вращающейся синхронно с оправкой планшайбе. В схеме на рис. 6.4, а поворот оправки осуществляется на некоторый угол перед намоткой каждого последующего слоя. Это делается с целью исключения влияния стыков продольно уложенных лент на качество материала получаемой оболочки. Число лент, используемых для продольной укладки, зависит от ширины ленты и диаметра оболочки. Величина нахлеста обычно составляет 5 мм. Число лент для спиральной намотки с малым шагом равно, как правило, 3—5. Наибольшее распространение получила вторая схема продольно­ поперечной намотки (см. рис. 6.4, б). Она обеспечивает более высокое 260

качество получаемых труб и непрерывность процесса намотки, хотя станки для ее осуществления более сложны и громоздки, особенно при производстве крупногабаритных труб. Продольно-поперечная намотка иногда используется и при получении изделий конической формы.

Рис. 6.4. Схемы станков для продольно-поперечной намотки труб на неподвижную (а) и вращающуюся (6) оправку: 1 — каретка; 2 — оправка; 3 — фиксатор продольной укладки ленты; 4 — захват для продольной укладки ленты; 5 — планшайба; 6 — лента для продольного армирования; 7 — лента для поперечного армирования

При формировании структуры стеклопластика со спиральным арми­ рованием прядью нитей за каждый оборот оправки или нитераскладчика станка образуется система двух слоев со взаимно перекрестным ориентированием армирующих волокон. Эти слои характеризуются углами намотки α1 и α2 = 180 - a1. Для труб, работающих в условиях осесимметричных нагрузок, эти углы равны и отличаются только зна­ ком. Перемещение нитераскладчика вдоль оправки позволяет осу­ ществить непрерывный процесс получения труб. Теоретически опти­ мальными углами такой намотки труб, работающих под внутренним давлением, являются углы a1 = 54.44’ и a2 = 125.16’. Практически спиральная намотка труб может осуществляться под углами a1 = (25 ÷ 85)° в зависимости от направлений главных напря­ жений при нагружении оболочки эксплуатационными нагрузками. Кроме того, такая намотка может быть и многозаходной, когда стенка трубы формируется нитями, наматываемыми под разными углами в каждом из несущих слоев и укладываемыми одновременно или после­ довательно. Спиральная намотка труб ограниченной длины в условиях перио­ дического процесса осуществляется при возвратно-поступательном движении нитераскладчика вдоль вращающейся оправки. В этих усло­ виях одна и та же нить многократно проходит от одного конца оправки к другому, смещаясь в каждом цикле на одну и ту же величину, опре­ деляемую характером требуемой схемы армирования (узора намотки). Взаимосвязь продольной скорости перемещения раскладчика Vp отно­ сительно вращающейся оправки с частотой вращения оправки ω опре­ деляется простым соотношением: 261

ω=vp^,

(6.1)

где α — угол намотки; R — радиус оправки. Число циклов возвратно-поступательного движения раскладчика п при намотке единичной нитью составляет:

n = 2πR∕b,

(6.2)

где b — расстояние между двумя параллельно укладываемыми нитями, определяемое узором намотки. При намотке за один проход пряди нитей величина п характеризует число нитей в пряди. Спиральная намотка в условиях периодического процесса связана с изменением знака угла намотки на концах оправки. При этом угол намотки изменяется от а до 90°, а затем от 90° до -а. Отклонение от геоде­ зической кривой при намотке может привести к сползанию нитей и нару­ шению узора намотки. Величина допускаемых отклонений определяется силами трения, и необходимое технологическое удлинение оправки, свя­ занное с изменением утла намотки, может быть рассчитано. Для расчета технологического удлинения оправки ΔL рекомендуется выражение .τ R 1-sina AL =-------------- , tgθ sina

(6.3)

где θ — угол трения, определяемый из выражения tg θ = f (здесь f — коэффициент трения; для сухой намотки / = 0,4 ÷ 0,5, а для мокрой / = 0,2 ÷ 0,25); a — угол намотки. Для определения угла поворота оправки, при котором происходит изменение угла намотки от а до -а, рекомендуется выражение 2 1 1 ---- In ----------tgθ tg(a∕2)

(6.4)

Ниже приведены значения коэффициента трения стекловолокна при различных условиях намотки: Соприкасающиеся материалы

Коэффициент трения

Стеклонить сухая, расшлихтованная:

по стеклу

0,94

алюминию

0,85

никелю

0,78

мягкой стали

0,72

твердой стали

0,61

Стеклонить с парафиновым замасливателем:

по стали 262

0,26

Окончание таблицы Соприкасающиеся материалы

полиэтилену

Коэффициент трения

0,23

Стеклонить, пропитанная эпоксидным связующим:

по стеклу

0,48

стали

0,48

Практически при формовании оболочек открытого типа (напри­ мер, цилиндра, усеченного конуса) изменение угла намотки на концах оправки может быть выполнено за счет установки специальных фикса­ торов. Как уже отмечалось, технологическое натяжение T существенно вли­ яет на степень уплотнения стекловолокнистого наполнителя при его намотке на оправку. Давление q формируемого слоя на оправку зависит также и от угла намотки: T а-—sin2 а Rb

(6.5)

где R — радиус цилиндрической оправки; b — шаг намотки; а — угол намотки. Анализ этого выражения показывает, что наиболее плотные струк­ туры могут быть получены при продольно-поперечном армировании. Поэтому часто при намотке труб применяется комбинированное арми­ рование, когда, например, спиральная намотка дополняется окружной с углами намотки, близкими к 90°. При комбинировании слоев, намотанных под различными углами, несущая способность системы в целом может быть оценена для осе­ вого, или меридионального (z1), и кольцевого, или окружного (x1), направлений (рис. 6.5) следующими выражениями: к σzι = Vhoh ∑ (vfcos2 αf); i=l

к Oχi = vhOh Σ (vi Sin2 OCf),

(6.6)

i=l

где Vh — объемное содержание волокнистого наполнителя; он — проч­ ность волокнистого наполнителя; Vf — текстурный критерий, определя­ ющий долю волокон, намотанных в направлении oci; к — число слоев, характеризующихся различными направлениями намотки. Выражения (6.6) могут быть использованы только для ориентиро­ вочной (сравнительной) оценки несущей способности волокнистого наполнителя при различных схемах армирования, так как не отражают роли связующего и сложности напряженного состояния композицион­ ного материала при нагружении. 263

Рис. 6.5. К расчету несущей способности волокнистого наполнителя при многослойной намотке

Спиральная намотка труб, особенно предназначенных для работы в условиях высоких нагрузок и повышенного требования по герметич­ ности, должна осуществляться многократным наложением слоев арми­ рующего материала, каждый из которых характеризуется своим узором намотки. Чередование слоев распространяется не только на спирально уложенные, но и на дополнительно вводимые кольцевые и осевые слои. Для цилиндров, работающих под внутренним давлением, на 5—10 про­ дольных или спиральных слоев приходится 10—25 окружных. Определенная последовательность их чередования должна не только учитывать необходимость получения требуемого узора намотки, но и обеспечивать однородность поля передаваемых нагрузок по тол­ щине стенки оболочки, товарный вид изделия и т. д. Для этого, напри­ мер, стремятся сгладить различия между углами армирования сосед­ них слоев материала, чтобы избежать межслойного разрушения. Кроме того, при рациональном пространственном распределении слоев часто отдают предпочтение спиральной намотке в качестве внутреннего слоя оболочки и кольцевой намотке — в качестве наружного слоя: первый создает на оправке своеобразный подслой, а последний улучшает внеш­ ний вид продукции. Укладка первого спирального слоя бывает необхо­ димой и при намотке на оправку, покрытую слоем герметизирующего материала типа эластомеров, поскольку меньшие усилия натяжения спиральных слоев по сравнению с окружными позволяют избегать образования дефектов на поверхности нежесткого материала. Создание комбинированных узоров намотки может быть связано и с использованием тканых и других рулонных наполнителей совместно с однонаправленными жгутами, нитями, лентами. Определенная после­ довательность узоров намотки слоев осуществляется с помощью систем автоматического управления рабочими движениями намоточного станка. В целом спиральная намотка труб однонаправленным наполнителем как самостоятельный метод их получения не имеет большого распро­ 264

странения, так как по комплексу технико-экономических показателей уступает ранее рассмотренным методам намотки изделий простой гео­ метрической формы. Даже при намотке конусов возможности этого метода не раскрываются полностью, хотя появляется возможность получать поверхности с уклонами около 20° при «мокрой» намотке и около 30° при «сухой». Особое значение приобретает метод спиральной намотки при фор­ мовании оболочек сложной формы. Практически его можно считать единственным и универсальным способом их получения. 6.1.3. Намотка оболочек сложной формы Достоинства метода спиральной намотки проявляются в наиболее полной мере при производстве напряженных замкнутых оболочек в виде сфер, эллипсоидов, цилиндров со сферическими и эллиптиче­ скими днищами и т. д. Многие конструкции имеют полюсные отвер­ стия различного диаметра, а также неполярные отверстия, а иногда и несимметричные профили днищ. Такие конструкции также можно получить методом спиральной намотки. Особенность разработки узора для намотки на поверхности двойной кривизны связана как с самой геометрией поверхности, так и с характером нагружения оболочки. Следует отметить, что создание идеальной ориентации и равномер­ ной плотности укладки волокон по всей поверхности оправки является практически неразрешимой задачей. Конечно, теоретически можно представить себе, например, многослойную сферическую оболочку, где ориентация и содержание наполнителя во всех точках одинаковы. Однако реализация такой идеи связана с неоправданным усложнением оборудования и, очевидно, нецелесообразна. Как уже отмечалось, для геодезической намотки цилиндра требуется постоянный шаг винтовой линии укладки арматуры. Многослойной намоткой слоев с разными углами армирования добиваются требуе­ мых прочностных свойств материала стенки намотанной трубы. При наличии на торцах труб днищ необходимо одновременно обеспечить в процессе намотки и требуемые соотношения структурных параме­ тров материала в них. В отличие от цилиндрической оболочки плотность нитей на выпу­ клой оболочке вращения двойной кривизны, а следовательно, и толщина стенки днища не являются постоянными, а изменяются по направлению к полюсам, т. е. зависят от радиуса кривизны соответ­ ствующего поперечного сечения или осевой координаты этого сечения. При намотке, например, сферического днища практически необходимо варьирование угла намотки от а = 0° при обмотке полюса до угла спи­ рали 45° на кромке касания экватора днища с цилиндром. В реальных конструкциях, днища которых могут быть другого про­ филя и различаться между собой, имеют место и другие факторы, вызывающие отклонение рисунка намотки от геодезического. Техноло­ гически для упрощения управления узором намотки оболочек сложной 265

формы используют углы намотки, близкие к соответствующим значе­ ниям углов геодезической намотки отдельных частей конструкции, хотя эти углы и не являются оптимальными. Эта вынужденная перестройка углов намотки сказывается на несущей способности оболочки. Прак­ тически всегда на границе экватора днища и цилиндра будет иметь место несовпадение геодезических углов намотки днища и цилиндра, а отсюда — проскальзывание нити и неопределенность ее положения на наматываемой оболочке. Этот эффект приходится компенсировать дополнительной укладкой слоев арматуры в этом месте, конструктивным совершенствованием профиля днищ и изменением размеров закладных деталей, а также тех­ нологическим совершенствованием узора намотки и структуры полу­ чаемого стеклопластика. Практически при формировании одного слоя арматуры кинемати­ ческие параметры намоточного оборудования (например, частота вра­ щения оправки или частота вращения раскладчика) являются постоян­ ными, а их изменение возможно при переходе к намотке следующего слоя. При этом естественная структура каждого намотанного слоя характеризуется переменной плотностью укладки, т. е. количеством армирующего наполнителя, уложенного на единицу поверхности. Рассмотрим на примере спиральной намотки цилиндра со сфери­ ческими днищами характерные изменения, происходящие в струк­ туре одного слоя, состоящего из двух систем нитей, уложенных соот­ ветственно под углами α0 и -α0 на цилиндрической поверхности. Если намотка на сферической поверхности ведется строго по геодезическим линиям, то это означает, что каждая нить при переходе с цилиндра на сферу будет располагаться по большому кругу сферы, плоскость которого с осью оболочки составляет угол a0. При повороте оправки на один оборот или при прохождении раскладчиком одного цикла вра­ щения нить образует замкнутый контур. Совокупность таких конту­ ров, сдвинутых в окружном направлении на величину шага намотки, и составит исследуемый слой. Известно, что боковая поверхность двух элементов высотой ∆∕ι, отсеченных соответственно на цилиндре и на сфере, составляет одну и ту же величину 2πR ∙ ∆h (рис. 6.6). Поскольку число нитей, проходя­ щих через эти поверхности одинаково, по отношению длин отрезков, находящихся на сферическом и цилиндрическом элементах, можно судить об увеличении массы наполнителя, уложенного на единицу поверхности. Длина отрезка нити на цилиндрической части оболочки с учетом угла намотки составляет: I =∆ħ∕cosa0.

(6.7)

На сферической части длина отрезка Zcφ еще более возрастает с уче­ том изменения диаметра по высоте ∆h: 266

1 + tg 2β, COS2 α0 1

zcφ =Δ⅛

(6.8)

где β — координата элемента на образующей сферической поверхно­ сти. Тогда степень уплотнения наполнителя Dy, т. е. относительное увели­ чение его массы при укладке на сферическую поверхность, есть отно­ шение отрезков Zcψ и /ц: tg2 β +cos2 a0

J

tgβ

(6.9)

Диапазоны возможных изменений a0 и β для каждого слоя состав­ ляют: 0